По роду замедлителя

· С (графит, см. графито-газовый реактор, графито-водный реактор)

· H₂O (вода, см. легководный реактор, водо-водяной реактор)

· D₂O (тяжёлая вода, см. тяжеловодный ядерный реактор)

· Be, BeO

· Гидриды металлов

· Без замедлителя (см. реактор на быстрых нейтронах)

По мере выгорания топлива реактивность реактора уменьшается. Замена выгоревшего топлива производится сразу из всей активной зоны или постепенно, оставляя в работе ТВЭЛы разных «возрастов».

Управление ядерным реактором возможно только благодаря тому, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием, которое может составить от нескольких миллисекунд до нескольких минут.

Для управления реактором используют поглощающие стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны и/или раствор борной кислоты, в определённой концентрации добавляемый в теплоноситель (борное регулирование). Движение стержней управляется специальными механизмами, приводами, работающими по сигналам от оператора или аппаратуры автоматического регулирования нейтронного потока.

На случай различных аварийных ситуаций в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону всех поглощающих стержней – система аварийной защиты.

Важной проблемой, непосредственно связанной с ядерной безопасностью, является остаточное тепловыделение. Это специфическая особенность ядерного топлива, заключающаяся в том, что, после прекращения цепной реакции деления и обычной для любого энергоисточника тепловой инерции, выделение тепла в реакторе продолжается ещё долгое время, что создаёт ряд технически сложных проблем.

Остаточное тепловыделение является следствием β- и γ- распада продуктов деления, которые накопились в топливе за время работы реактора. Ядра продуктов деления вследствие распада переходят в более стабильное или полностью стабильное состояние с выделением значительной энергии.

Хотя мощность остаточного тепловыделения быстро спадает до величин, малых по сравнению со стационарными значениями, в мощных энергетических реакторах она значительна в абсолютных величинах. По этой причине остаточное тепловыделение влечёт необходимость длительное время обеспечивать теплоотвод от активной зоны реактора после его останова. Эта задача требует наличия в конструкции реакторной установки систем расхолаживания с надёжным электроснабжением, а также обуславливает необходимость длительного (в течение 3-4 лет) хранения отработавшего ядерного топлива в хранилищах со специальным температурным режимом — бассейнах выдержки, которые обычно располагаются в непосредственной близости от реактора

Твэл – тепловыделяющий элемент – топливное устройство в ядерных реакторах.

АЭС – это по существу тепловые электростанции, которые ис­пользуют тепловую энергию ядерных реакций.

Возможность использования ядерного топлива, в основном ³⁵U, в качестве источника теплоты связана с образованием цеп­ной реакции деления вещества и выделением при этом огромно­го количества энергии. Самоподдерживающаяся и регулируемая Цепная реакция деления ядер урана обеспечивается в ядерном ре­акторе. Ввиду эффективности деления ядер урана ²³⁵U при «бом­бардировке» их медленными тепловыми нейтронами пока преоб­ладают реакторы на медленных тепловых нейтронах. В качестве ядерного горючего используют обычно изотоп урана ²³⁵U, содер­жание которого в природном уране составляет 0,714%; основная масса урана – изотоп ²³⁸U (99,28%). Ядерное топливо использу­ют обычно в твердом виде. Его заключают в предохранительную оболочку. Такого рода тепловыделяющие элементы называют твэ-лами, их устанавливают в рабочих каналах активной зоны реак­тора. Тепловая энергия, выделяющаяся при реакции деления, от­водится из активной зоны реактора с помощью теплоносителя, который прокачивают под давлением через каждый рабочий ка­нал или через всю активную зону. Наиболее распространенным теплоносителем является вода, которую подвергают тщательной очистке.

Реакторы с водяным теплоносителем могут работать в водном или паровом режиме. Во втором случае пар получается непосред­ственно в активной зоне реактора.

При делении ядер урана или плутония образуются быстрые нейтроны, энергия которых велика. В природном или слабообо­гащенном уране, где содержание ²³⁵U невелико, цепная реакция на быстрых нейтронах не развивается. Поэтому быстрые нейтро­ны замедляют до тепловых (медленных) нейтронов. В качестве замедлителей используют вещества, которые содержат элементы с малой атомной массой, обладающие низкой поглощающей спо­собностью по отношению к нейтронам. Основными замедлителя­ми являются вода, тяжелая вода, графит.

В настоящее время наиболее освоены реакторы на тепловых нейтронах. Такие реакторы конструктивно проще и легче управ­ляемы по сравнению с реакторами на быстрых нейтронах. Одна­ко перспективным направлением является использование реакто­ров на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством ядерного горючего – плутония; таким образом может быть ис­пользована большая часть ²³⁸U.

На атомных станциях России используют ядерные реакторы следующих основных типов:

РБМК (реактор большой мощности, канальный) – реактор на тепловых нейтронах, водографитовый;

ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) – реактор на тепловых нейтронах, корпусного типа;

БН (быстрые нейтроны) – реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим натриевым теплоносителем.

Единичная мощность ядерных энергоблоков достигла 1500 МВт. В настоящее время считается, что единичная мощность энерго­блока АЭС ограничивается не столько техническими соображени­ями, сколько условиями безопасности при авариях с реакторами.

Технологическая схема АЭС зависит от типа реактора, вида теплоносителя и замедлителя, а также от ряда других факторов. Схема может быть одноконтурной, двухконтурной и трехконтурной.

На рисунке в качестве примера представлена двухконтурная схема АЭС для электростанций с реакторами ВВЭР. Видно, что эта схема близка к схеме КЭС, однако вместо парогенератора на органическом топливе здесь используется ядерная установка.

АЭС, так же как и КЭС, строятся по блочному принципу как в тепломеханической, так и в электрической части.

Ядерное топливо обладает очень высокой теплотворной способ­ностью (1кг ²³⁵U заменяет 2900 т угля), поэтому АЭС особенно эффективны в районах, бедных топливными ресурсами, например в европейской части России.

АЭС выгодно оснащать энергоблоками большой мощности. Тогда по своим технико-экономическим показателям они не ус­тупают КЭС, а в ряде случаев и превосходят их.

Перспективными являются АЭС с реакторами на быстрых ней­тронах (БН), которые могут использоваться для получения тепла и электроэнергии, а также и для воспроизводства ядерного горю­чего. Технологическая схема энергоблока такой АЭС представле­на на рис. 23. Реактор типа БН имеет активную зону, где про­исходит ядерная реакция с выделением потока быстрых нейтро­нов. Эти нейтроны воздействуют на элементы из ²³⁸U, который обычно в ядерных реакциях не используется, и превращают его в плутоний ²³⁹Ри, который может быть впоследствии использован на АЭС в качестве ядерного горючего. Тепло ядерной реакции отводится жидким натрием и используется для выработки элект­роэнергии.

а б

Рис. 23. Принципиальная технологическая схема АЭС с реактором типа БН: а — принцип выполнения активной зоны реактора; б— техно­логическая схема: 1—7— аналогичны указанным на рис. 4.20; 8— тепло­обменник натриевых контуров; 9— насос нерадиоактивного натрия; 10— насос радиоактивного натрия

Схема АЭС с реактором БН трехконтурная, в двух из них ис­пользуется жидкий натрий (в контуре реактора и промежуточном). Жидкий натрий бурно реагирует с водой и водяным паром. По­этому, чтобы избежать при авариях контакта радиоактивного на­трия первого контура с водой или водяным паром, выполняют второй (промежуточный) контур, теплоносителем в котором яв­ляется нерадиоактивный натрий. Рабочим телом третьего конту­ра является вода и водяной пар.

АЭС не имеют выбросов дымовых газов и не имеют отходов в виде золы и шлаков. Однако удельные тепловыделения в охлаж­дающую воду у АЭС больше, чем у ТЭС, вследствие большего удельного расхода пара, а следовательно, и больших удельных рас­ходов охлаждающей воды. Поэтому на большинстве новых АЭС предусматривается установка градирен, в которых теплота от ох­лаждающей воды отводится в атмосферу.

Важной особенностью возможного воздействия АЭС на окру­жающую среду является необходимость захоронения радиоактив­ных отходов. Это делается в специальных могильниках, которые исключают возможность воздействия радиации на людей.

Чтобы избежать влияния возможных радиоактивных выбросов АЭС на людей при авариях, применены специальные меры по по­вышению надежности оборудования (дублирование систем безопас­ности и др.), а вокруг станции создается санитарно-защитная зона.

По данным Росэнергоатома, в ближайшей перспективе будет наблюдаться дальнейшее развитие атомной энергетики как по мощности АЭС, так и количеству вырабатываемой электрической энергии на АЭС России.

Циклы АЭС и их эффективность

Как уже отмечалось, на АЭС ядерный тепловой двигатель со­стоит из реактора, являющегося источником теплоты (подобно паровому котлу или камере сгорания), и соответственно паро- или газотурбинной установки, где эта теплота превращается в меха­ническую работу. Поэтому теоретические циклы ядерных тепло­вых двигателей подобны рассмотренным выше циклам паротур­бинных и газотурбинных двигателей и к ним применимы те же оце­ночные критерии. Однако существуют и некоторые особенности:

1) возможность широко изменять тепловую мощность реактора;

2) ограниченность ее максимальной величины термостойкос­тью оболочек твэлов (сплавы из А1 и Mg — до 450 °С, нержаве­ющая сталь — до 600 °С, другие материалы — до 1000 °С) и термо­стойкостью ядерного топлива (металлический уран — до 600 °С, двуокись урана UO₂ — 2760 °С);

3) небольшая доля топливной составляющей в балансе стоимо­сти вырабатываемой энергии (10—15% против 50—60% на ТЭС), которая при воспроизводстве ядерного топлива становится совсем ничтожной;

4) последнее обстоятельство предъявляет к АЭС не только тре­бование высокого термического КПД цикла, но и максималь­ной единичной мощности, позволяющей снизить капиталовложе­ния в строительство электростанций и энергосиловых установок судов.

Гидроэлектроста́нция (ГЭС) – электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонобразные виды рельефа.

Особенности

· Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях.

· Турбины ГЭС допускают работу во всех режимах от нулевой до максимальной мощности и позволяют быстро изменять мощность при необходимости, выступая в качестве регулятора выработки электроэнергии.

· Сток реки является возобновляемым источником энергии.

· Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое, чем тепловых станций.

· Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей, чем тепловые станции.

· Водохранилища часто занимают значительные территории, но примерно с 1963 г. начали использоваться защитные сооружения (Киевская ГЭС), которые ограничивали площадь водохранилища, и, как следствие, ограничивали площадь затопляемой поверхности (поля, луга, поселки).

· Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

· Водохранилища ГЭС, с одной стороны, улучшают судоходство, но с другой – требуют применения шлюзов для перевода судов с одного бьефа на другой.

· Водохранилища делают климат более умеренным.

Бьеф (фр. bief) – часть реки, канала, водохранилища или другого водного объекта, примыкающая к гидротехническому сооружению. Существуют верхний бьеф, располагаемый выше по течению, и нижний, располагаемый по другую сторону гидротехнического сооружения. Верхним бьефом часто является водохранилище.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией – естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Дерива́ция –лат. derivatio – отведение, отклонение. В общем случае – термин, означающий отклонение чего-либо от основной траектории движения, отклонение от основного значения.

Деривация в гидротехнике – отвод воды от русла реки по каналу. В более широком смысле – это совокупность гидротехнических сооружений, отводящих воду из реки, водохранилища или другого водоёма и подводящих её к другим гидротехничеким сооружениям. Различаются такие типы деривационных сооружений — безнапорные (канал, тоннель, лоток) и напорные (трубопровод, напорный туннель). Современные деривационные каналы и водотоки имеют протяженность в десятки км, с пропускной способностью в несколько тысяч м.куб./сек.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

· мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;

· средние — до 25 МВт;

· малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:

· русловые и приплотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.

· плотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.

· деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние – спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида – безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище – такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.

· гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.

В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.

Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.