Вода в ядерных энергетических циклах
В ядерных энергетических циклах чистота воды имеет важное значение по разным причинам. Хотя под действием нейтронного потока происходит лишь небольшое повышение уровня радиоактивного загрязнения воды с образованием лишь короткоживущих изотопов, содержащиеся в воде вещества могут отреагировать на действие нейт ронного потока нежелательным образом. В ядерных циклах с использованием кипящих ядерных реакторов или ядерных реакторов с водой под давлением появление в воде, являющейся теплоносителем первого контура ядерного реактора и проходящей через реак тивную зону, например, такого химического элемента, как кобальт, было бы крайне не желательно. Это — радиоактивный продукт, при последующем распаде которого имеет место гамма-излучение большой мощности. Поэтому следует избегать появления кобальта в таких системах, Поскольку многие другие металлы под действием нейтронного потока также образуют радиоактивные изотопы, то в целях безопасности при работе и техническом обслуживании допустимые нормы образования продуктов водной коррозии и ядерных энергетических циклах являются более жесткими.
Но всех современных энергетических циклах требуется вода относительно высокой степени чистоты, хотя требования к чистоте воды в разных циклах неодинаковы.
Тем не менее подпиточная вода требуемой чистоты может быть получена гарантированно и при разумных затратах путем ионообмена, испарения и прочих способов предварительной обработки. Но, поскольку в обычных энергетических циклах расход подпиточной воды, как правило, составляет не более 1 % от общего расхода питательной воды, основная проблема заключается в том, чтобы сохранить исходную степень чистой воды после подачи ее в цикл.
Два основных источника загрязнений воды высокой степени чистоты — это коррози я и подсос. В результате коррозии происходит не только разрушение металла, но и загрязнение воды в системе продуктами коррозии. Вода с определенной степенью загряз нения поступает в цикл в местах высокого вакуума (например, поверхностный конденсатор), такой подсос является вторым основным источником загрязнения. Точные расчеты и тщательный выбор конструкционных материалов могут свести эти проблемы к минимуму.
Так как подпиточная вода деионизирована и по результатам анализа не является жесткой и не содержит твердых веществ, разрушение труб в котлах электростанций вследствие образования накипи и отложений менее вероятно, чем в промышленных котлах низкого давления. В барабанных котлах электростанций причиной разрушения металла труб чаще является водная коррозия, приводящая к образованию локальных коррозионных язв или кратеров, а также водородная коррозия, в результате которой происходит охрупчивание углеродистой стали.
Важным фактором для максимально возможного предупреждения коррозии металла предварительного подогревателя является pH питательной воды. Для железа и его сплавов оптимальные значения pH питательной воды находятся в пределах 9,2-9, 6 , хотя приемлемо и минимальное значение 8,5. Для меди и медных сплавов значение pH питательной воды в основном составляет от 8,5 до 9,2. Если для изготовления предварительного подогревателя используются оба металла, то обычно устанавливаются пределы регулирования pH питательной воды 8 ,8-9,2. Для регулирования pH в этой части цикла, как правило, применяются летучие щелочи, например, аммиак и амины, так как они не способствуют увеличению содержания растворенных твердых веществ.
Ядерный реактор с водой под давлением ( PWR) имеет две основные системы водоснабжения:
- Первый контур или система теплоносителя ядерного реактора.
- Второй контур или система циркуляции «парогенератор — турбина».
К первому контуру относятся корпус ядерного реактора, компенсатор давления, парогенераторы (теплообменники) и циркуляционный насос. В первом контуре температура воды, проходящей через реактор, не должна превышать 28 °С, следовательно, скорость рециркуляции должна быть довольно высокой, чтобы обеспечивать поглощение образовавшегося тепла. Во избежание вскипания воды поддерживается достаточно высокое давление рециркулирующей воды. Давление поддерживается при помощи компенсатора давления, который компенсирует изменение объема в результате изменения температуры. В первом контуре для обеспечения максимальной коррозионной стойкости все поверхности, контактирующие с водой, как правило, выполняются из нержавеющей стали или сплавов на основе никеля.
Вода, используемая для водоснабжения первого контура реактора, должна иметь высокую степень чистоты для сведения к минимуму возможности загрязнении реактора и теплопередающих поверхностей теплообменников, а также во избежание попадания загрязнений, которые под действием нейтронного потока могут образовать нежелательные радиоактивные изотопы. Регулируемое добавление в воду первого контура борной кислоты и ее удаление по мере необходимости обеспечивает требуемую концентра цию поглощающего нейтроны бора, что необходимо для регулирования потока нейтронов и передачи энергии. Для регулирования pH в первом контуре используются такие химикаты, как гидроокись лития, образующая под действием нейтронного потока срав нительно безопасные радиоизотопы.
Под действием ядерного излучения часть воды первого контура при прохождении через реактор разлагается на водород и кислород.
Для уменьшения образования кислорода и удаления кислорода, попадающего в си стему, обычно добавляют газообразный водород. Чистоту воды первого контура обычно поддерживают, непрерывно пропуская часть циркулирующей воды через обессоливающую установку со смешанным слоем. Во избежание удаления бора из воды в таких установках, как правило, используются анионообменные смолы в виде солей борной кислоты. При высокой концентрации примесей эти смолы становятся радиоактивными их регенерация — практически неосуществимой. Следовательно, такие радиоактивные смолы обычно направляются на захоронение как твердые радиоактивные отходы.
В качестве парогенераторов второго контура в системах PWR в основном устанавливаются теплообменники двух типов. Рециркуляционный парогенератор с U-образными трубами аналогичен барабанному котлу электростанции, работающей на ископаемом топливе. Ввиду того, что скорость рециркуляции через внутренние устройства теплообменника в 3-4 раза превышает скорость потока пара, в теплообменнике происходит механическое разделение паровой и водной фазы и непрерывный частичный сброс оборотной воды. Однако такой парогенератор отличается от котлов электростанций, работающих на ископаемом топливе, тем, что в нем не предусмотрен перегрев пара.
Другой тип теплообменника, применяемого в системах PWR, представляет собой прямоточный паровой котел. Такой теплообменник имеет перегородки, направляют поток входящей питательной воды сначала вниз через наружный кольцевой канал, в котором она нагревается до температуры насыщения, полностью превращаясь в пар слегка перегревается в единственном направленном вверх через трубный пучок проходном канале межтрубного пространства. В зависимости от нагрузки можно обеспечить перегрев примерно до 34 °С.
Добавки для регулирования pH и удаления кислорода, например, добавки аминов и гидразина, в циклах с кипящими ядерными реакторами не применяются, так как эти добавки подвержены разложению под действием ядерного излучения. Следовательно, для предупреждения коррозии оборудование, используемое в цикле, должно быть изготов лено из коррозионностойких материалов.
Во избежание образования опасных изотопов и отложений на теплопередающих поверхностях активной зоны установлены жесткие нормы содержания примесей металлов, попадающих в используемую в цикле воду либо в результате утечек из конденсаторов, либо вследствие коррозии металлических элементов системы. Наиболее жесткие требования предъявляются к содержанию меди, так как она приводит к забивке водовыпускных отверстий устройств для распределения воды в активной зоне.
Источник
Ядерный реактор
О чем эта статья:
11 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Принцип работы ядерного реактора
Принцип действия реактора можно описать в паре предложений:
Уран-235 распадается, вследствие чего выделяется большое количество тепловой энергии. Эта энергия кипятит воду, а возникший пар крутит турбину под давлением. Турбина, в свою очередь, вращает электрогенератор, который вырабатывает электричество.
Все, расходимся… Ладно, давайте разберемся более детально.
Уран-235 — это один из изотопов урана. Изотоп — это разновидность атома какого-либо вещества, которая отличается от обычного атома массой. Конкретно уран-235 отличается от простого урана тем, что в ядре такого изотопа на три нейтрона меньше.
Из-за недостатка нейтронов ядро становится менее стабильным и распадается на две части, если разогнать и врезать в него нейтрон. При этой реакции вылетает еще парочка нейтронов. Эти нейтроны могут попасть в другое ядро урана-235 и расщепить его, после чего оттуда вылетит еще нейтрон, и так далее по цепочке. Такой процесс называется ядерной реакцией.
Деление урана
Деление ядер урана под воздействием нейтронов открыли немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году. Для эксперимента выбрали именно нейтроны потому, что они электрически нейтральны, то есть у них нет заряда. А раз нет заряда, то между протонами и нейтронами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают в ядро.
Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, оно деформируется и становится вытянутым. Ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях, но не работают на больших. А вот электростатическое взаимодействие может происходить и на больших расстояниях. Поэтому ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и последнее разрывается на части. При этом излучается та самая парочка нейтронов, о которых мы уже упоминали выше, а близкие по массе осколки разлетаются с большой скоростью.
Результаты деления ядра урана-235:
1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:
2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:
Управляемая ядерная реакция
Естественная ядерная реакция происходит очень быстро — меньше, чем за секунду. Такая быстрая ядерная реакция провоцирует ядерный взрыв.
Хорошая новость заключается в том, что ядерной реакцией можно управлять. Задача проста — следи себе за реакцией, контролируй и не давай урану распадаться слишком быстро. Легко сказать!
Для выполнения этой задачи придумали замедлитель. Замедлитель — не устройство, а вещество, которое уменьшает кинетическую энергию нейтронов за счет многократного столкновения с молекулами замедлителя. В качестве замедлителя часто используют графитовые стержни и воду — обычную (H2O) или тяжелую (D2O).
Техническая реализация
Если вы хоть раз смотрели «Симпсонов» (или в вашем городе есть реактор), то знаете, как выглядят большие трубы, стоящие на территории атомной электростанции (АЭС). Эти трубы называются градирни и служат для быстрого охлаждения пара.
В момент распада ядро урана раскалывается на две части. Эти части разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, но, несмотря на скорость, не улетают далеко. Они ударяются об атомы, которые находятся рядом, и кинетическая энергия переходит в тепловую. Количество теплоты от этих соударений нагревает воду, превращая ее в пар. Пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который вырабатывает электричество — точно так же, как в угольной тепловой электростанции.
Вот и получается, что мы живем в стимпанке — все работает на пару.
Если коротко, то атомная электростанция — это установка, которая производит электричество за счет ядерного реактора.
А если подробнее, то АЭС — это большой комплекс, во главе которого стоит ядерный реактор. Помимо реактора на АЭС есть турбина, генератор, трансформаторы для преобразования напряжения. В общем, это большая система.
В бытовом употреблении АЭС часто приравнивают к ядерному реактору, и это нельзя назвать неправильным. Просто ядерный реактор — босс в этой движухе, поэтому он и определяет все остальное. 😉
Кстати, когда будете играть в крокодила, загадайте атомную электростанцию. Будет забавно, проверено.
Чернобыльская АЭС
Когда речь заходит о ядерной энергетике, многие невольно вспоминают катастрофу на Чернобыльской АЭС и поэтому ошибочно считают, что ядерный реактор — зло.
Но по большому счету, реактор — это очень дорогой чайник. Дым, который валит из труб АЭС и пугает прохожих, на самом деле не дым, а пар.
В результате работы ядерного реактора действительно образуются радиоактивные отходы, и они могут быть опасны, если с ними неправильно обращаться. Часть этих отходов перерабатывают для дальнейшего использования, а часть приходится держать в хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.
Атомные электростанции выбрасывают в атмосферу только пар, им необходимо небольшое количество топлива, а еще они занимают малую площадь и при правильном использовании безопасны. Тем не менее, после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики.
Первая авария на Чернобыльской АЭС произошла в 1982 году. Во время пробного пуска разрушился один из технологических каналов реактора, была деформирована графитовая кладка активной зоны. Пострадавших не было, но последствия ликвидировали около трех месяцев.
В 1986 году произошло ЧП в известном всему миру четвертом энергоблоке. В этом самом энергоблоке проводились испытания турбогенератора. Система аварийного охлаждения была планово отключена, поэтому, когда реактор не смогли остановить, эта система не спасла АЭС от взрыва и пожара.
Взрыв и его последствия не говорят о том, что ядерная энергетика вредна. На самом деле даже бананы радиоактивны, потому что в них содержатся радиоактивные изотопы. Но для того, чтобы банановая радиация навредила человеку, ему придется съесть не меньше тонны бананов. То же и с ядерными реакциями — они приносят вред только в том случае, если их не контролировать.
Виды современных реакторов
Сегодня существует несколько видов ядерных реакторов, но используют в основном два — гомогенные и гетерогенные:
- в гомогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель перемешаны;
- в гетерогенных реакторах ядерное горючее и замедлитель находятся отдельно друг от друга.
Еще бывают реакторы, в которых для получения энергии используют уран-238, а не уран-235. Но в таких реакторах сложно отводить тепло, поэтому они довольно редки.
Использование атомной энергии
Атомная энергия используется не только в ядерных реакторах. Например, существуют корабли и подводные лодки, которые работают на атомной энергии.
В начале XXI века из-за высоких цен на нефть были очень актуальны поиски способов использования ядерной энергии. Тогда появились разработки по компактным атомным электростанциям, которые могут работать десятилетиями без обслуживания и к тому же безопасны.
Кроме того, ученые работают над ядерными методами для диагностики и лечения онкологических заболеваний — радиоактивные изотопы могут уничтожать раковые клетки.
Источник
