На конкурсе “Сам себе Кулибин” мне подарили Книгу-игру “АЭС на ладони”
Тема ядерной энергии меня заинтересовала. И я стал собирать информацию. Из Интернета узнал, что основой атомной энергетики являются изотоп урана-235 и водо-водяные энергетические реакторы — ВВЭР. Их называют так, потому что контур охлаждения реактора, где происходит распад атомов урана, и контур рабочего тела заполнены водой. Распад урана-235 идет под действием нейтронов, которые физики называют “медленными” или “тепловыми”.
Макет такого энергоблока я и сделал в прошлом году.
Атомная энергетика имеет много плюсов. Например: отсутствуют выбросы в атмосферу продуктов сгорания, как это происходит на тепловых электростанциях. 1 грамм урана-235 дает электроэнергии столько, сколько можно получить при сжигании трёх тонн угля.
Но у атомной энергетики на основе урана-235 есть и серьезные минусы, которые могу остановить её развитие.
Основная проблема состоит в том, что природная смесь изотопов урана содержит менее одного процента урана-235, поэтому его содержание приходится повышать до 5%. Остальное это уран-238, который в производстве электроэнергии не участвует и идёт в отходы.
Ситуацию можно исправить, если уран-238 и отходы вовлечь в производство электроэнергии, воздействуя на них быстрыми нейтронами урана-235. Поглотив нейтрон, уран-238 превращается в плутоний-239, разлагающийся, как и уран-235.
Это откроет возможность превращать отходы в новое топливо для АЭС, образуя “замкнутый” цикл его использования, и обеспечит потребность ядерной энергетики на тысячелетия.
Расчеты показали, что 100 атомов урана-235 могут произвести 140 атомов плутония-239.
Другими словами, если заложим в печку десять поленьев они сгорят, согреют дом, а когда печка остынет, вынем из топки 14 поленьев, но уже других дров.
Оказалось, что такие, буквально фантастические, устройства существуют, они так и называются: реакторы-размножители. Их в мире всего два и оба работают в России. Это реакторы на быстрых нейтронах БН-600 и БН-800.
Эти реакторы, как и первый БН-350 и многое другое оборудование для АЭС, были спроектированы “Опытным конструкторским бюро машиностроения” и изготовлены в нашем городе. Основателем ОКБМ и Генеральным конструктором БН-350 и БН-600 был Игорь Иванович Африкантов. Сейчас там проектируется реактор нового поколения БН-1200.
Поэтому я решил усовершенствовать модель и изменить её конструкцию на реактор-размножитель.
Изменения коснулись в первую очередь ядерного РЕАКТОРА, находится в красной зоне энергоблока. Его основной задачей является выделение тепла для нагрева теплоносителя. Реактор имеет стальной корпус из жаропрочной нержавеющей стали, помещенный в железобетонную герметичную оболочку.
Пространство, в котором делятся ядра, называется “активной зоной”. Она имеет диаметр 2 метра и высоту 750 сантиметров, т.е. гораздо меньше ВВЭР.
Главный компонент активной зоны тепловыделяющие элементы – ТВЭЛЫ. Это герметичные трубки из нержавеющей стали с внешним диаметром около сантиметра. В горячей зоне присутствует несколько типов ТВЭЛОВ.
В центре и по краям зоны находятся ТВЭЛЫ с ядерным топливом, содержащим более 20% урана-235. В модели их роль исполняют красные светодиоды.
В верхней и нижней частях ТВЭЛОВ находятся втулки из урана-238 или из отходов.
ТВЭЛЫ, расположенные по периметру зоны, содержат обедненный уран, в модели это стержни с желтыми светодиодами.
ТВЭЛЫ по несколько сотен штук собираются в кассеты — тепловыделяющие сборки ТВС
Таким образом, по торцам и периметру активной зоны происходит размножение ядерного топлива. Звуковые сигналы о начале процесса поступают на пульт управления.
После деления атома урана появляется 2-3 новых нейтрона, которые делят другие атомы. Если цепная реакция, выйдет из-под контроля, мгновенно выделится слишком много энергии и произойдет техногенная катастрофа, сходная с Чернобыльской.
Чтобы это не произошло, внутри реактора есть стержни автоматической системы управления и защиты. В модели это стержни с зелеными светодиодами.
В реакторе-размножителе стенки ТВЭЛОВ нагреваются до 1000 градусов. Для их охлаждения в качестве теплоносителя используется жидкий натрий, что отражено в названиях реакторов: БН – быстрый натриевый.
Так как натрий в реакторе становится радиоактивным, тепловая схема блока трехконтурная: в первом и втором теплоноситель — натрий, в третьем — вода. Все оборудование первого контура и теплообменник первого и второго контура находятся в корпусе реактора.
Давление жидкого натрия в реакторе близко к атмосферному, что почти в 150 раз меньше, чем в ВВЭР.
На модели теплоноситель первого и второго контура подкрашен красными чернилами. Насосы первого контура подают его снизу в активную зону, где он нагревается до 550 градусов, и затем отводят в теплообменник “натрий-натрий”.
Натрий второго контура проходит по трубам теплообменника, снизу вверх и нагревается до 520 градусов.
Во втором контуре поддерживается более высокое давление, чем в первом — около девяти атмосфер, что препятствует утечке радиоактивного натрия из первого контура во второй.
Использование натрия потребовало применить предварительный электрообогрев оборудования перед пуском реактора.
Помещения, где возможна утечка натрия, оборудованы системами автоматического пожаротушения.
Из реактора натрий проходит через ПАРОГЕНЕРАТОР, нагревает воду ТРЕТЬЕГО КОНТУРА до 500 градусов и возвращается в реактор. Это ЖЕЛТАЯ ЗОНА модели, — контур “рабочего тела” — пара, преобразующего тепловую энергию в механическую. Из парогенератора пар под давлением 140 атмосфер вращает ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ. ГЕНЕРАТОР, соединенный с турбиной, вырабатывает электричество, которое через ТРАНСФОРМАТОРЫ по ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ уходит в электросеть и попадает к ПОТРЕБИТЕЛЯМ.
Водяной пар раскрутил турбины, но его температура ещё около 200 градусов и он попадает в специальные КОНДЕНСАТОРЫ, охлаждаемые водой, поступающей из ГРАДИРНИ. Это СИНЯЯ ЗОНА. ГРАДИРНЯ — коническая башня высотой около семидесяти метров, над которой обычно видны клубы пара. Благодаря своим размерам это самое заметное сооружение АЭС. На модели я изменил пропорции зданий, чтобы показать движение стержней и тепловыделяющих сборок. На самом деле здание ЭНЕРГОБЛОКА гораздо ниже градирни и ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ ТРУБЫ. Реактор заглублен в землю на 10 метров.
КОНДЕНСАТ превращается в воду и по третьему контуру возвращается в парогенератор.
Так как воды требуется очень много, АЭС имеют искусственные водоемы, либо их располагают вблизи побережий.
Например, Нижегородская АЭС с ВВЭР, проектируется Нижегородской компанией “Атомпроект” и строится на реке Оке в 100 километрах от нашего города.
НОРВИНСК-17 тоже стоит на берегу водохранилища.
АЭС обычно многоцелевые. Например, реактор БН-350 вырабатывал электричество, опреснял каспийскую воду, двадцать семь лет снабжал теплом город Шевченко.
БН-600 уже тридцать три года обеспечивает теплом город Заречный.
Жителям Норвинска-17 вода с температурой более 150 градусов подается ПО ТРУБАМ в их дома.
Коэффициент полезного действия энергоблока БН – 41 %. Это выше, чем у энергоблоков на тепловых нейтронах – там он около 33 %.
На мой взгляд, развитие атомной энергетики за многоцелевыми реакторами на быстрых нейтронах, реализующими чистый “замкнутый” ядерный топливный цикл, если ученые не найдут более эффективный источник энергии, например, управляемый термоядерный синтез.
ПОДПИСИ ПОД ФОТОГРАФИЯМИ
1. Монтаж водяного насоса системы “Конденсатор – Градирня”
2. Внесение изменений в электрическую схему и систему “подземной” прокладки “электрических кабелей” модели
3. Прошивка универсальной платы “датчика контроля нейтронного потока в активной зоне”
4. Загрузка воды в Третий контур (Парогенератор “натрий-вода” – Турбина – Конденсатор) тепловой системы энергоблока
5. Загрузка теплоносителя — “натрия” в Первый и Второй контур системы охлаждения БН Реактора
6. Установка насоса Первого контура и Теплообменника “натрий-натрий” Первого и Второго контура в БН Реактор
7. Монтаж системы предварительного электрообогрева оборудования Первого и Второго контура
8. “… ЛЭП-500 не простая линия …”
9. Главный оператор за пультом управления проводит тестовые испытания насосов трех контуров тепловой системы энергоблока
10. Специалисты АЭС проводят плановый техосмотр системы автоматического пожаротушения Второго контура и Парогенератора “натрий-вода”
11. Главный проспект Норвинска-17 носит имя Игоря Ивановича Африкантова
12. Общий вид работающей модели энергоблока. Справа на переднем плане часть водохранилища, обеспечивающего АЭС водой
Видео защита работы: https://drive.google.com/drive/folders/1VTEJN6SZWiG3WusOsOEzfEc2_2CZoQxG?usp=sharing