Слободчук В.И., Шелегов А.С., Лескин С.Т. Учебное пособие по курсу АЭС

Предисловие

В данное учебное пособие вошли основные материалы лекционных курсов, читаемых в Обнинском институте атомной энергетики в течение ряда лет. Пособие состоит из двух разделов. В первом разделе основное внимание уделено теплотехническим основам производства тепловой и электрической энергии на атомной станции. Второй раздел пособия посвящен в основном описанию систем энергоблоков АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000 и РБМК1000. Для энергоблока с реактором ВВЭР-1000 описание основных систем дано применительно к серийному проекту В-320, а для энергоблока с реактором РБМК-1000 описание систем дано для энергоблоков второго поколения. В отличие от существующих монографий, посвященных подробному описанию реакторов ВВЭР-1000 и РБМК-1000, в данном учебном пособии материал изложен более сжато и дополнен сведениями из инструкций по эксплуатации основного оборудования и систем указанных энергоблоков. Учебное пособие написано в соответствии с учебным планом специальности 140404 – «Атомные электрические станции и установки» и направлено на формирование у студентов компетенций, необходимых для успешной и быстрой адаптации на рабочих местах атомных станций.

Учебное пособие рассчитано, в первую очередь, на студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Атомные электрические станции и установки» Оно также может быть полезным для студентов смежных специальностей, изучающих курс «Ядерные энергетические установки».

2

3

4

различаются в зависимости от назначения. Для стационарных ЯЭУ главные требования - это надежность и высокая экономичность при длительной эксплуатации (ресурс – не менее 30-40 лет). Для судовых установок важны в первую очередь массогабаритные характеристики, а также безопасная работа оборудования в автономном режиме в условиях ограниченного объема судна. Срок службы Судовой ЯЭУ может быть уменьшен, но возрастают требования к маневренности установки. К космическим ЯЭУ предъявляют еще более жесткие требования по массогабаритным характеристикам при относительно небольшом ресурсе работы, а также устойчивость работы при больших механических нагрузках.

Перспективы развития ядерной энергетики определяются состоянием экономики и потребностями различных отраслей индустрии. В любом случае необходимость развивать ядерную энергетику продиктована ограниченностью ресурсов органического топлива и ограниченностью мощностей других альтернативных источников энергии. Основное направление развития – это разработка ядерных реакторов повышенной безопасности. Другое направление развития – это разработка установок по трансмутации (переработке) отходов, накапливающихся при работе ныне действующих ЯЭУ.

1.2 Основное технологическое оборудование ЯЭУ. Назначение, требования к нему.

Поскольку типов ЯЭУ довольно много, то и основное технологическое оборудование будет различаться. Остановимся на характеристике основного оборудования ЯЭУ, предназначенных для производства электроэнергии и тепла. Что касается транспортных и космических ЯЭУ, то по мере необходимости будем возвращаться и к ним, отмечая характерные особенности этих типов ЯЭУ.

Итак, основное технологическое оборудование ЯЭУ с реакторами типа ВВЭР.

6

В настоящее время эксплуатируются два типа отечественных реакторных установок с реакторами типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Основное технологическое оборудование: реакторная установка (РУ), турбинная установка (ТУ).

Реакторная установка включает: реактор, главные циркуляционные насосы (ГЦН), главные запорные задвижки (если они предусмотрены проектом), главные циркуляционные трубопроводы (ГЦТ), парогенераторную установку (ПГ), вспомогательные системы (компенсации объема, подпитки и продувки, система аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ), организованных протечек и т.д.).

Назначение РУ – обеспечение нормальной работы реактора, отвод выделяющегося тепла и передача его во второй контур.

ПГ осуществляет связь между первым и вторым контурами, являясь принадлежностью одновременно обоих контуров. В парогенераторе осуществляется передача тепла от теплоносителя к рабочему телу. Поэтому к ПГ предъявляются очень высокие требования с точки зрения надежности и безопасности.

Турбоустановка вместе с электрогенератором служит для превращения энергии рабочего тела в электрическую энергию.

Для одноконтурных станций с канальными водо-графитовыми реакторами характерна одноконтурная схема получения рабочего пара. Поэтому технологическое оборудование и требование к нему отличаются.

Основным технологическим оборудованием являются: реактор с системой нижних водяных и верхних паро-водяных коммуникаций, барабанысепараторы, ГЦН, трубопроводы контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ), турбоустановка. Как видно, в составе ЯЭУ с реакторами типа РБМК нет отдельного агрегата – парогенератора, т.к. рабочий пар получается непосредственно в активной зоне реактора. В реакторе происходит съем тепла и одновременно генерируется пар, т.е. теплоноситель и рабочее тело совпадают. Однако вырабатываемый пар является радиоактивным, поэтому

7

практически все основное оборудование работает в условиях радиоактивного излучения и требует биологической защиты.

В схемах ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем необходимо исключить контакт радиоактивного жидкого металла с рабочим телом. В промышленных энергетических установках в качестве теплоносителя используется жидкий натрий, который довольно сильно активируется в активной зоне реактора. Поэтому такие ЯЭУ выполняются трехконтурными. Соответственно, добавляется и технологическое оборудование промежуточного контура: промежуточный теплообменник, циркуляционный насос промежуточного контура, трубопроводы и вспомогательные системы. Все технологическое оборудование промежуточного контура служит для передачи тепла, снимаемого с активной зоны реактора, рабочему телу в ПГ. Теплоноситель промежуточного контура – натрий. Назначение другого технологического оборудование такое же, как и на АЭС с другими типами реакторов.

1.3 Основные требования к оборудованию ЯЭУ.

Для оборудования ЯЭУ важнейшим требованием является обеспечение высокой надежности и безопасной работы ЯЭУ. Наиболее жесткие требования предъявляются к первому контуру. Поскольку первый контур является радиоактивным, то утечки теплоносителя должны быть исключены, а если это невозможно, то протечки должны быть сведены к минимуму и находиться под контролем. Как правило, контур теплоносителя должен размещаться в герметичных помещениях, чтобы при возможной аварии с выходом радиоактивных веществ обеспечить их локализацию в пределах необслуживаемых герметичных помещений.

Особенностью работы ЯЭУ с точки зрения безопасности и ремонтопригодности оборудования является отсутствие резерва основных элементов (реактора, турбины, генератора, ПГ) в составе энергоблока. В этой

8

связи повышенные требования предъявляются к надежному питанию энергией наиболее ответственных потребителей, в частности ГЦН.

Большое значение имеет правильный выбор материалов для изготовления корпусов реакторов, т.к. они находятся в поле интенсивного излучения в течение всего ресурса эксплуатации. Поэтому должны обладать высокой прочностью при достаточной пластичности и коррозионной стойкости. Парогенератор является элементом, в котором одновременно находится теплоноситель и рабочее тело. Поскольку их контакт должен быть исключен, то отсюда вытекают высокие требования к герметичности всех соединений в ПГ, к качеству изготовления ПГ.

Наряду с ЯЭУ для производства электроэнергии, а также электроэнергии и тепла, возможно использование ЯЭУ для производства тепла для коммунальнобытового и промышленного потребления. Для таких целей предполагается использование реакторов типа ВВЭР. Основное технологическое оборудование таких ЯЭУ такое же, как и на АЭС. Однако есть и свои специфические требования, связанные с особенностями атомных станций теплоснабжения (АСТ). На АСТ отсутствует ТУ, и они выполняются трехили даже четырехконтурными. Расположение АСТ близко к потребителю тепла предъявляет повышенные требования к надежности и безопасности работы всего оборудования. В первом контуре таких ЯЭУ, как правило, используется естественная циркуляция теплоносителя.

На судовых ЯЭУ принципиально могут быть использованы ЯЭУ с реакторами любого освоенного типа с использованием как паротурбинного, так и газотурбинного циклов. На практике наибольшее распространение получили двухконтурные ЯЭУ с реакторами типа ВВЭР, поскольку они являются наиболее отработанными, достаточно компактны и надежны.

Что касается основного технологического оборудования, то для первого контура оно аналогично таковому для стационарных ЯЭУ с аналогичным типом реакторов. Во втором контуре появляется дополнительный турбогенератор, предназначенный для выработки электроэнергии для

9

собственных нужд. Поскольку суда очень часто работают в переменных режимах, то дополнительные требования к маневренности оборудования. Для таких установок целесообразно использовать не механическую, а электрическую связь турбины с гребной установкой.

Специальные ЯЭУ. Под этими установками будем подразумевать такие ЯЭУ, которые предназначены не только для выработки электроэнергии, но и для ряда технологических целей, например, опреснение воды, газификация угля и крекинг нефти, производство водорода.

Если для опреснения воды можно использовать ядерные реакторы любых типов, то для других технологических целей необходимы высокотемпературные реакторы. Таким требованиям удовлетворяют высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР). Реакторы такого типа с шариковыми твэлами могут быть использованы и в радиационнохимических технологиях. Отработавшие шариковые твэлы после активной зоны направляются в облучатель, где используется их гамма излучение. Использование таких ЯЭУ для производства электроэнергии и для технологических целей значительно увеличивает общую эффективность таких установок.

1.4 Теплоносители и рабочие тела.

Теплоноситель – это среда (вещество), используемое для отвода тепла от активной зоны реактора.

Рабочее тело – это среда (вещество), служащее для преобразования тепловой энергии в другой вид энергии (чаще всего для преобразования тепловой энергии в механическую).

Сначала рассмотрим теплоносители. Поскольку теплоносители работают в условиях интенсивного облучения, а также при повышенных температурах и давлениях, то они должны удовлетворять целому ряду требований. Все эти требования можно свести в четыре основных группы:

-ядерно-физические

10