Как работает атомная электростанция: от ядерного топлива до производства электроэнергии

Принцип работы АЭС

Сегодня на долю атомных электростанций приходится примерно 17% вырабатываемой в мире электроэнергии. Рассмотрим, как ядерная энергия превращается в электрический ток.

Суть технологических процессов

С точки зрения физики почти все электростанции за исключением солнечных (СЭС) работают по одному и тому же принципу. Внешняя сила – ветер, вода или пар – воздействует на лопатки турбины, что приводит во вращение электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Важный нюанс здесь заключается в том, что турбина и генератор располагаются на одном валу, поэтому и «приводит во вращение».

Однако это лишь заключительный этап в работе электростанций. Проблема состоит в том, как подчинить внешнюю силу специально организованному технологическому процессу. Ведь в случае атомной электростанции ей выступает сама ядерная энергия (отнюдь не всегда подчиняющаяся техническому воздействию человека, наиболее впечатляющими примерами чего стали аварии на Чернобыле и Фукусиме). Именно для этих целей на нашей планете к настоящему времени были выстроены несколько сотен ядерных реакторов (ЯР), предназначенных для осуществления управляемой самоподдерживающей цепной реакции деления, в процессе которой происходит выделение значительного количества энергии (тепла).

Конструкция ЯР

В конструкции любого ЯР присутствуют:

• заполняемая ядерным топливом активная зона;
• окружающий активную зону отражатель нейтронов;
• выносящий из активной зоны тепло теплоноситель (газ или жидкость);
• обеспечивающая регулирование цепной реакции и аварийную защиту система;
• предотвращающая выход радиации из активной зоны реактора защита;
• организующая управление всеми процессами система.

На практике в качестве основных составляющих всего перечисленного обычно присутствуют: ядерное топливо, управляющие стержни, замедлители, теплоноситель, радиационная защита и теплоизоляция. Выделяемое внутри ядерного реактора тепло приводит к нагреву теплоносителя. Через одно- или двухконтурную систему он поступает и воздействует на лопатки турбины атомной электростанции.

Охлаждение ЯР

Атомная электростанция – отнюдь не идеальный в техническом отношении объект, и её работа порождает множество проблем, решение которых снова создает серьёзные проблемы. Одной из таких проблем является нагрев и риск перегрева ядерного реактора, ведь не всё вырабатываемое им тепло отбирается теплоносителем, да и сам теплоноситель тоже необходимо охлаждать, иначе эффективность всей системы практически сведётся к нулю. Это и осуществляется с помощью воды, выступающей как в роли охладителя (иногда здесь используется газ, жидкие металлы, существуют также смешанные системы охлаждения), так и в роли переносчика тепла.

Классификация ядерных реакторов

Что касается системы классификации ядерных реакторов, то одна чрезвычайно широка и разнообразна, так как по своему функционалу ЯР подразделяются:

• по назначению на реакторы энергетические, транспортные, промышленные, экспериментальные и исследовательские;
• по нейтронному спектру на реакторы на быстрых, промежуточных, медленных (тепловых) и смешанных нейтронах;
• по размещению топлива на гетерогенные с дискретным размещением топлива в активной зоне реактора и на гомогенные с однородной смесью: топливо + замедлитель;
• по виду топлива: изотопы урана, плутония, тория (здесь надо также учитывать степень обогащения урана – природный, слабо- или высокообогащённый и его химический состав: металлический, диоксид, карбид);
• по виду теплоносителя: вода, газ, тяжёлая вода, органический, жидкометаллический, твёрдый теплоноситель, расплавы солей;
• по роду замедлителя: графит, вода, тяжёлая вода, бериллий гибриды металлов, без замедлителя;
• по конструкции на бассейновые, модульные, канальные и корпусные реакторы;
• по методам выработки пара: с внешним парогенератором или с кипящим реактором.

На наиболее важных из вышеперечисленных функций (применяемых в качестве замедлителя и теплоносителя материалах) и выстроена система классификации, взятая на вооружение Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ). Она включает в себя:

• PWR – реактор с водой под давлением, где и теплоносителем и замедлителем выступает лёгкая вода (примером служат водо-водяные реакторы – ВВЭР, на долю которых в мире приходится более 60%);
• BWR – кипящий реактор, здесь, в отличие от PWR, образование подаваемого на турбины пара происходит непосредственно в реакторе;
• FBR – реактор-размножитель на быстрых нейтронах, что не требует наличия замедлителя;
• GCR – газоохлаждаемый реактор, здесь роли замедлителя обычно используется графит;
• LWGR – графито-водный реактор, типа реактора большой мощности канального – РБМК;
• PHWR – тяжеловодный реактор;
• HTGR – высокотемпературный газоохлаждаемый реактор;
• HWGCR – газоохлаждаемый реактор с тяжеловодным замедлителем;
• HWLWR – кипящий реактор с замедлителем из тяжёлой воды;
• PBMR – модульный реактор с шаровыми твэлами;
• SGHWR – кипящий тяжеловодный реактор.

Система безопасности

Система безопасности на российских АЭС, состоящих на эксплуатации в Концерне «Росатом», основана на целом ряде факторов, в составе которых можно видеть: принцип самозащищённости ядерного реактора, присутствие нескольких барьеров безопасности, неоднократное дублирование каналов безопасности. Также системы безопасности подразделяются пассивные и активные системы. Первые из них работают без участия человека и не требуют наличия источника электроснабжения.

Установленные на атомных электростанциях системы безопасности предназначены для защиты окружающей среды от радиоактивных веществ и ионизирующих излучений. В их основе лежат 4 барьера:

блокирующая выход продуктов деления под оболочку тепловыделяющего элемента топливная матрица;

• защищающая от попадания продуктов деления в теплоноситель, что циркулирует по главному контуру, оболочка;
• препятствующий попаданию продуктов деления, но уже под защитную герметичную оболочку, главный циркуляционный контур;
• исключающая выход продуктов деления в окружающую среду система защитных герметичных оболочек.

Однако не только всё это входит в систему безопасности. Предусмотрены средства ликвидации аварий, запроектных аварий и поставарийных ситуаций. Примером служат ёмкости с борной кислотой, вступающие в действие при возникновении максимальной проектной аварии (разрыва первого контура охлаждения реактора) и знаменитая «ловушка расплава» (при любых обстоятельствах не допускающая ухода его за пределы гермооболочки), впервые установленная по российскому проекту в Китае на АЭС «Тяньвань».

Для обеспечения безопасности от внешних экстремальных воздействий Концерном «Росатом» ещё в 2012 году были разработаны и внедрены в действие необходимые мероприятия. Есть и системы защиты от террористов и разного рода злоумышленников. Кроме того, постоянный надзор за безопасностью АЭС России организован со стороны Ростехнадзора. Итогом столь беспрецедентных мер стало отсутствие каких-либо серьёзных нарушений безопасности на российских АЭС (превышающий первый уровень Международной шкалы ИНЕС) с 1999 года.

Современные тенденции и инновации в атомной энергетике

Последние тенденции в области атомной энергетики обусловлены энергетическим кризисом, вопросами глобального изменения климата, то есть необходимостью ухода от углеводородов в сочетании возможностью получения нового компромиссного источника энергии – доступного, надёжного, очень мощного, универсального, максимально безопасного с позиций экологии и в достаточной степени независимого от непрерывных поставок топлива.

В условиях современной экологической обстановки атомная энергетика становится все более актуальной. Она имеет ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, атомные электростанции являются низкоуглеродными. Они не производят углекислый газ (CO2. За последние полвека атомная энергетика предотвратила выброс в атмосферу более 55 млрд тонн CO2, что сопоставимо с выбросами от сжигания 100 млрд баррелей нефти. Во-вторых, атомная энергетика является высокоэффективной. АЭС вырабатывают значительно больше электроэнергии на единицу топлива, чем другие электростанции, использующие ископаемое топливо. Это означает, что требуется меньшее количество топлива для производства того же количества электроэнергии, что приводит к экономии природных ресурсов и снижению зависимости от их импорта.

На конец 2022 года в мире насчитывалось 439 энергоблоков мощностью в 393,4 ГВт, размещённых в 32 странах. А к началу 2024 года, по данным PRIS IAEA, в эксплуатации пребывало OP-реакторов (действующих реакторов), к которым надо добавить ещё 25 SO-реакторов (приостановленных в эксплуатации) из Индии (4 реактора) и Японии (21 реактор). Суммарное количество АЭС с OP-реакторами на тот момент времени составило 170, с OP-реакторами и SO-реакторами – 179. Несмотря на ранее намеченные планы по закрытию АЭС, крен в сторону атомной энергетики вынуждены были сделать Германия, Бельгия и Финляндия. А ключевыми местами наращивания мощи атомной генерации сегодня становятся Африка, Ближний Восток, Южная Азия. МАГАТЭ прогнозирует, что к 2050 году мощность всех АЭС мира составит 873 ГВт при увеличении степени выработки в 2-5 раз.

Специалисты из «Росатома» в последнее время занимаются:

• разработкой водо-водяных реакторов со спектральным регулированием, потребляющих на 30% меньше урана;
• созданием толерантного (не разрушающегося и не вступающего при любых обстоятельствах в реакцию с теплоносителем) топлива;
• осуществлением безотходного замкнутого ядерного топливного цикла;
• изобретением новых технологий и материалов, выдерживающих экстремальные нагрузки;
• переработкой отработанного ядерного топлива;
• водородной энергетикой;
• ядерной медициной на основе радиоизотопов;
• термоядерным синтезом;
• созданием специальных лазеров;
• разработкой компактных реакторов малой мощности.

Проблемы и перспективы развития атомной энергетики

Вопросам решения текущих проблем и открытия новых перспектив был посвящён состоявшийся 25 марта 2024 года VIII Международный форум «АТОМЭКСПО-2024» в Сочи. На организованном круглом столе «IV поколение: уже реальность» его участники:

• обсудили нынешнюю стадию развития атомной энергетики, сформированную на основе ядерных технологий энергосистем IV поколения;
• дали оценку экспортному потенциалу атомной отрасли нашей страны;
• проанализировали современные требования международного рынка, предъявляемые к перспективным технологиям.

Как показывает практика, ядерная энергетика продолжает развиваться и преодолевать множество препятствий на своем пути в будущее. Даже самые упорные противники строительства и использования АЭС не могут не заметить этот факт. Несмотря на сложности и опасности, современные технологии и научные разработки делают ядерную энергетику более безопасной и эффективной. Кроме того, в последние годы наблюдается увеличение интереса к развитию новых видов ядерной энергии, таких как ядерный синтез и термоядерный реактор. Эти инновации могут стать ключом к решению проблемы изменения климата и обеспечению устойчивого источника энергии для будущих поколений.