Содержание материала

Глава 4
ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЙ НА АЭС

ТИПЫ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

В том случае, когда электростанция отпускает потребителю только электроэнергию, на ней устанавливают конденсационные турбины и станцию называют конденсационной. Современные АЭС в большинстве своем работают как конденсационные. Для АЭС рабочим телом является водяной пар, требования к его чистоте настолько велики, что экономически приемлемо только конденсировать его и возвращать в рабочий цикл. Поэтому контур рабочего тела АЭС всегда замкнут. Теплоносителем на АЭС в большинстве случаев также служит вода. Для поддержания ее чистоты на требуемом уровне контур теплоносителя делают также замкнутым.
Различают АЭС, построенные по одноконтурной (рис. 4.1) и двухконтурной (рис.4.2) схемам. В первом случае теплоноситель и рабочее тело совмещены, во втором — контуры теплоносителя и рабочего тела разделены.
На одноконтурной АЭС образующаяся в реакторе пароводяная смесь поступает в сепаратор, отсепарированный пар направляется на турбину, а вода циркуляционным насосом возвращается в реактор. Сработанный на турбине пар конденсируется в конденсаторе и возвращается в виде воды в циркуляционный контур. В СССР по такой схеме работают АЭС с реакторами РБМК-1000, РБМК-1500, ВК-50, за рубежом  — АЭС с реакторами BWR (boiling water reactor).
Реактор большой мощности кипящий (РБМК) — это канальный реактор, замедлителем в котором служит графит, а теплоносителем — вода и пароводяная смесь. Тепловая мощность реактора 3200 или 4800 МВт. АЭС с реакторами такой мощности имеют электрическую мощность 1000 (РБМК-1000) или 1500 (РБМК-1500) МВт. КПД АЭС несколько больше 30%.
В графитовой кладке реактора (диаметр 11,8 м, высота 7 м) установлен 1693 (РБМК-1000) или 1661 (РБМК-1500) технологический канал из циркония. В каналах монтируется тепловыделяющая сборка (ТВС) с твэлами из UO2  в оболочке из циркониевого сплава.
Теплоноситель по групповым и раздаточным коллекторам подводится индивидуально к каждому каналу, пароводяная смесь отводится также индивидуально от каждого канала в четыре барабана-сепаратора. Пар от Б-С поступает по общему паропроводу на две турбины с цилиндрами высокого и низкого давления (рис. 4.3). Из конденсатора турбин конденсат возвращается в контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ). Часть теплоносителя КМПЦ и весь конденсат подвергаются очистке. АЗС оборудована системой подготовки свежей воды — системой химводоочистки — для подпитки КМПЦ и системой спецводоочистки для очистки организованных и неорганизованных протечек теплоносителя, так называемых трапных вод и других жидких радиоактивных сред.
схема двухконтурной АЭС
Рис. 4.2. Принципиальная схема двухконтурной АЭС:
АЗ — активная зона реактора; ПГ — парогенератор; Т — турбина;  С — конденсатор; Я2 — насос II контура: ГЦН — главный циркуляционный насос; ВК — внутриконтурная очистка теплоносителя
схема одноконтурной АЭС
Р и с. 4.1. Принципиальная схема одноконтурной АЭС:
ЛЗ — активная зона реактора: Б-С — барабан-сепаратор; Т — турбина; К — конденсатор: ОК — очистка конденсата: ПИ — питательный насос; ГЦН — главный циркуляционный насос; В К — внутрнконтурная очистка теплоносителя

Для защиты графита от окисления кладка реактора продувается инертным газом (обычно смесью азота и гелия).
Основные параметры АЭС с РБМК следующие:

 

РБМК-1000

РБМК-1500

Электрическая мощность, МВт

1000

1500

Тепловая мощность, МВт 

3200

4800

кпд, %  

30,4

31,3

Загрузка урана, т 

192

189

Средняя глубина выгорания, МВт*сут/кг

18,1

18,1

Расход воды через реактор, т/ч  

37500

29 000

Деление в сепараторах, ат ,

70

70

Паропроизводительность, т/ч

5800

8800

Расход пара на турбины, т/ч

5400

8200

Реакторы РБМК-1000 работают на Ленинградской АЭС им. В. И. Ленина, Чернобыльской АЭС им. В. И. Ленина, Курской и Смоленской АЭС; на Игналинской АЭС, строительство которой завершается, установлен реактор РБМК-1500.
Атомная электростанция с реактором ВК-50 — опытная АЭС с кипящим реактором корпусного типа. Замедлитель и теплоноситель—вода и пароводяная смесь. Пароводяная смесь образуется в активной зоне, собирается в верхней части герметичного корпуса и отводится в барабан-сепаратор. Корпус реактора на АЭС с ВК-50 металлический, но для подобных АЭС применяют также корпуса из предварительно-напряженного железобетона.
технологическая схема АЭС с реактором РБМК-1000

технологическая схема АЭС с реактором РБМК-1000 2
Рис. 4.3. Упрощенная технологическая  схема АЭС с реактором РБМК-1000:

 

1 — система контроля герметичности оболочек твэлов; 2 — барабан-сепаратор; 3 — канал СУЗ; 4 — технологический канал; 5— реактор: 6 — бак аварийной питательной воды; 7 — барботер; 8  — аварийный питательный насос; 9 — технологический конденсатор; 10 — конденсатные насосы; 11 — сепаратор-перегреватель; 12 — турбогенератор; 13 — конденсатор; 14 — конденсатные насосы I и II подъема; 15 — подогреватели низкого давления; 16 — деаэратор; 17 — питательные насосы; 18 — баллоны системы аварийного охлаждения реактора; 19— доохладители,  20 — регенераторы; 21 — насосы расхолаживания; 22 — главный циркуляционный насос; 23 — конденсатор газового контура; 24 — компрессор; 25— установка очистки гелия; 26 — газгольдер выдержки; 27 — мокрый газгольдер; 28 — вентиляционная труба

 

На АЭС, работающей по двухконтурной схеме, реактор охлаждается теплоносителем, прокачиваемым через него и парогенератор циркуляционным насосом (первый контур); образующийся в парогенераторе пар поступает на турбину, где, расширяясь, производит работу, конденсируется и питательным насосом возвращается в парогенератор (второй контур).  По двухконтурной схеме в СССР работают АЭС с реакторами ВВЭР разной мощности (ВВЭР-440, ВВЭР-1000), за рубежом — АЭС с реакторами PWR {pressurized xmter reactor).
Водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР) — реактор корпусного типа. Замедлитель и теплоноситель — вода под давлением. Рабочее тело на АЭС с ВВЭР — водяной пар. Упрощенная технологическая схема такой АЭС показана на рис. 4.4. АЭС оборудована системами химводоочистки и спецводоочистки.

Основные параметры АЭС с ВВЭР следующие:

 

ВВЭР-440

ВВЭР-1000

Электрическая мощность, МВт

440

1000

Тепловая мощность, МВт 

1375

3000

КПД, %            

32

33

Расход воды через реактор, т/ч  

39 000

80000

Давление в первом контуре, ат   

125

160

Количество петель

6

4

Паропроизводнтельность одного парогенератора, т/ч .

425

1470

Реакторы ВВЭР установлены на Нововоронежской АЭС им. 50-летия Советского Союза (ВВЭР-210, ВВЭР-365, ВВЭР-440 и ВВЭР-1000), Кольской и Армянской АЭС (ВВЭР-440), Ровенской, Южноукраинской АЭС, на строящихся Калининской, Запорожской, Башкирской и других АЭС.
На двухконтурной АЭС тепло от теплоносителя передается рабочему телу в парогенераторе через поверхность нагрева; это требует перепада температур, т. е. температура теплоносителя всегда должна быть больше температуры рабочего тела.
технологическая схема АЭС с реактором ВВЭР-440
Рис. 4.4. Упрощенная технологическая схема АЭС с реактором ВВЭР-440:
/ — деаэратор подпитки; 2 — подпиточный насос; 3 — реактор; 4 — компенсатор объема; 5 — главная запорная задвижка; 6 — главный циркуляционный насос; 7 — парогенератор; 8  — турбоагрегат; 9 — конденсатный насос; 10 — подогреватель низкого давления;  11  — деаэратор: 12 —  питательный насос; 13 — подогреватель высокого давления; 14 — аварийный питательный насос; 15 — охладитель продувки; 16 — доохладитель продувки; 17 — фильтровальная группа: 18 — дренажный бак; 19 — насос обессоленной воды; 20— отстойник; 21 — расширитель; 22 — подогреватель обессоленной воды; 23 — бак грязного конденсата; 24 — выпарной аппарат; 25 — бак чистого конденсата

Если теплоноситель — вода, то давление в первом контуре должно быть больше, чем во втором, а чтобы теплоноситель не кипел, — существенно больше, чем во втором. Это усложняет конструкцию парогенератора и делает вероятным попадание теплоносителя первого контура во второй. На двухконтурной АЭС в качестве теплоносителя можно применить газ, например С02, или органическую жидкость, тогда давление в первом контуре можно сделать меньше, чем во втором.
В СССР впервые были построены АЭС с ядерным перегревом пара (реактор АМБ, Белоярская АЭС им. И. В. Курчатова). Такие АЭС работают по частично двухконтурной схеме.

Р и с. 4.5. Принципиальная схема одноконтурной АЭС с ядерным перегревом пара:
схема одноконтурной АЭС с ядерным перегревом пара
АЗ — активная зона реактора; ИК — испарительный технологический канал; ППК — пароперегревательный технологический канал; Б-С — барабан- сепаратор: Т — турбина; К, — конденсатор; ОК — очистка конденсата; ПН — питательный насос; ГЦН — главный циркуляционный насос; ВК — внутриконтурная очистка конденсата

Пар, образовавшийся в реакторе, осушается в Б-С, подается в парогенератор, отдает тепло воде как бы второго контура и возвращается после конденсации в реактор.

технологическая схема первого (а) и второго (6) блоков Белоярской АЭС
Р и с. 4.6. Упрощенная технологическая схема первого (а) и второго (6) блоков Белоярской АЭС:
1 — реактор; 2 — пароперегревательный канал; 3 — испарительный канал; 4 — сепаратор; 5 — испаритель; 6 — деаэратор; 7 — турбоагрегат; 8 — конденсатор: 9 — конденсатный насос; 10 — подогреватель низкого давления; 11 — питательный насос; 12 — подогреватель высокого давления; 13— бак-расширитель; 14 — регулятор перегрева; 15 — подогреватель; 16 — циркуляционный насос; 17 — конденсатоочистка

Образовавшийся в парогенераторе пар поступает на перегрев в реактор, перегревается, подается на турбину и после конденсации возвращается в парогенератор. Ядерный перегрев пара осуществлен также на АЭС, работающей по одноконтурной схеме (рис. 4.5): отсепарированный в Б-С пар подается в реактор для перегрева, перегретый пар поступает на турбину, срабатывается, конденсируется в конденсаторе и возвращается в циркуляционный контур.
Упрощенные технологические схемы первого и второго блоков Белоярской АЭС показаны на рис. 4.6. Дальнейшее развитие реакторов РБМК — превращение их в реакторы с ядерным перегревом пара — РБМКП-2400.
Атомная энергетика Советского Союза в настоящее время и в ближайшем будущем базируется на АЭС двух типов: работающих по одноконтурной схеме — с реакторами РБМК и по двухконтурной схеме — с реакторами ВВЭР. Поэтому в дальнейшем обсуждение вопросов радиационной безопасности АЭС ведется применительно и на примерах АЭС с реакторами этих типов. Однако в СССР разработаны и действуют (и находятся в стадии строительства) АЭС с ядерным перегревом пара, а также АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, работающие по трехконтурной схеме, с натриевым теплоносителем. Поэтому некоторые вопросы обеспечения радиационной безопасности рассматриваются на примере этих АЭС.
Вне зависимости от типа реактора, установленного на АЭС, и ее технологической схемы основными источниками излучения на АЭС являются активная зона реактора, технологический контур и сама защита реактора (таблица).
Таблица