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

-тепло-гидравлические

-физико-химические

-эксплуатационные.

Ядерно-физические требования

-малое сечение поглощения нейтронов

-малое сечение рассеяния нейтронов (для реакторов на быстрых нейтронах)

-большое сечение рассеяние нейтронов (для реакторов на тепловых нейтронах)

-высокая радиационная стойкость

-малая способность к активации.

Тепло-гидравлические требования

-высокий коэффициент теплообмена

-малые затраты на прокачку.

Физико-химические требования

-коррозионная инертность по отношению к конструкционным материалам

-химическая инертность по отношению к рабочему телу и окружающей среде

-термическая стойкость.

Эксплуатационные требования

-высокий температурный уровень отвода тепла из реактора

11

-низкое давление

-пожаробезопасность

-нетоксичность

-отсутствие дополнительных усложняющих устройств в контуре

-распространенность, доступность, дешевизна.

Теперь кратко охарактеризуем различные классы теплоносителей с точки зрения перечисленных выше требований. В качестве теплоносителей могут быть использованы: вода, органические жидкости, газы, жидкие металлы.

Вода (обычная и тяжелая).

Относится к низкотемпературным водородсодержащим теплоносителям. Обычная вода – наиболее распространенный и дешевый теплоноситель. Имеет большое сечение рассеяния, относительно небольшое сечение поглощения (тяжелая вода имеет малое сечение поглощения, так что можно использовать слабо обогащенный уран или даже природный уран, но тяжелая вода очень дорогая). В поле интенсивного облучения имеет место радиолиз воды, т.е. распад воды на водород и кислород, а также ее активация.

Поглощение нейтронов обычной водой приводит к необходимости использовать обогащенный уран.

Т.к. вода обладает высокой теплоемкостью, относительно низкой вязкостью, а коэффициент теплообмена возрастает с ростом скорости весьма значительно, то приемлемые коэффициенты теплоотдачи достигаются при умеренных скоростях (5 – 8 м/сек). А это значит, что затраты на прокачку воды не очень велики, меньше чем для многих других теплоносителей.

Вода коррозионноактивна по отношению к конструкционным материалам, а при температурах свыше 3000С и повышенных давлениях наблюдается интенсификация коррозионных процессов. В этом заключается один из недостатков воды как теплоносителя. Поэтому в первом контуре приходится

12

использовать дорогостоящие коррозионностойкие материалы. К рабочему телу и окружающей среде химически инертна.

Одним из недостатков воды является высокое давление ее насыщенных паров. Причем с ростом температуры давление насыщенного пара резко возрастает. Все это определяет очень высокое давление воды в первом контуре и низкий температурный уровень отвода тепла из реактора. Вода нетоксична, пожаробезопасна. Вода является практически несжимаемой жидкостью и при этом у нее довольно заметно изменяется плотность (удельный объем) при изменении температуры. Это в свою очередь требует установки в контуре дополнительных усложняющих устройств – системы компенсации давления

(КД).

Органические теплоносители.

К органическим теплоносителям относятся ряд углеводородных соединений, таких как полифенилы. Это говорит о том, что их замедляющая способность высокая, как и у воды. Однако поглощающие свойства у них выше, чем у воды; активируются слабо. В обычных теплообменных аппаратах органические теплоносители показали сравнительно высокую термическую стойкость (до 4500С), но в условиях облучения они начинают полимеризоваться.

Теплофизические характеристики хуже, чем у воды: плотность, теплоемкость, теплопроводность ниже, а вязкость выше. Таким образом, коэффициент теплоотдачи ниже, а затраты на прокачку выше, чем у воды.

Органические теплоносители коррозионно инертны к конструкционным материалам и химически инертны по отношению к рабочему телу и окружающей среде. Термически стойки в диапазоне температуры до ~4000С.

В отличие от воды органические теплоносители имеют сравнительно высокую температуру кипения при умеренных давлениях, что позволяет получать пар средних параметров с заметным перегревом. Нетоксичны, однако,

13

как уже отмечалось, из-за полимеризации органических теплоносителей требуются дополнительные устройства для их очистки.

Органические теплоносители не нашли применения на атомных станциях, т.к. не имеют существенных преимуществ по сравнению с водой.

Жидкометаллические теплоносители.

Использование жидких металлов в качестве теплоносителей связано с развитием реакторов на быстрых нейтронах. Жидкометаллические теплоносители являются высокотемпературными. На сегодняшний день в промышленной ядерной энергетике используется жидкий натрий, на судовых установках использовался сплав свинец-висмут. Кроме этого, в качестве модельного теплоносителя в исследовательских целях часто используется сплав натрий-калий. Ниже, описывая основные характеристики жидкометаллических теплоносителей, будем подразумевать прежде всего натрий.

Жидкие металлы имеют простую атомарную структуру, стабильны в условиях нагрева и облучения. Их ядерно-физические характеристики таковы, что они имеют малую замедляющую способность, достаточно малое сечение поглощения.

Теплопроводность жидких металлов намного выше теплопроводности других классов теплоносителей. Обеспечивают высокий коэффициент теплообмена, что в определенной степени компенсирует их малую теплоемкость. Затраты на прокачку вполне приемлемые.

Одним из существенных недостатков натрия как теплоносителя является высокая активация при облучении и высокая химическая активность по отношение к рабочему телу (воде) и окружающей среде. Коррозионно неактивны, однако, у натрия есть избирательная способность к переносу массы по контуру.

14

Высокая температура кипения и низкое давление насыщенного пара не ограничивают температуру нагрева при малых давлениях. Максимальная температура жидкометаллических теплоносителей ограничена предельными рабочими температурами конструкционных материалов. Натрий пожароопасен, пары свинца токсичны. Т.к. температура плавления довольно высокая, то требуются дополнительные системы разогрева контура перед пуском. Натрий достаточно широко распространен и дешев.

Газообразные теплоносители.

Из всех возможных газообразных теплоносителей в ядерной энергетике используются углекислый газ и гелий.

Прежде всего, следует отметить хорошие ядерно-физические свойства газовых теплоносителей. Они имеют малое сечение поглощения нейтронов, очень слабо активируются и радиационно стойки в диапазоне рабочих температур.

С другой стороны, они имеют низкую плотность, низкую теплоемкость и теплопроводность, что обусловливает низкий коэффициент теплоотдачи и большие затраты на прокачку.

Газовые теплоносители коррозионно инертны по отношению к конструкционным материалам, химически инертны по отношению к рабочему телу и окружающей среде, термически стойки.

Уровень отвода тепла из реактора довольно высокий при умеренных и низких давлениях (давление приходится повышать, чтобы уменьшить затраты на прокачку). Пожаробезопасны, нетоксичны. Углекислый газ дешев, гелий дорогой.

При использовании углекислого газа в качестве теплоносителя было обнаружено, что при температурах свыше 6500С наблюдается его повышенная коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам. Поэтому углекислый газ непригоден для использования в

15

высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах. Для этих реакторов наиболее подходящим теплоносителем является гелий.

Водяной пар в настоящее время является основным рабочим телом ЯЭУ. Практически все стационарные и транспортные ЯЭУ работают по паровому циклу. Использование водяного пара как основного рабочего тела обусловлено его хорошей отработанностью в обычной тепловой энергетике. Что касается газотурбинных циклов, то они находятся только в стадии разработки. Газотурбинные установки становятся конкурентноспособными с паротурбинными установками при температуре газа >1100 К. Такой уровень температуры в ЯЭУ сейчас только начинает осваиваться. В газотурбинном цикле в качестве рабочего тела может быть использован как газовый теплоноситель (одноконтурные ЯЭУ), так и другие газы, если речь идет о многоконтурных ЯЭУ.

2. Классификация атомных станций (АС). Распределение и потребление электрической и тепловой энергии.

Типы АС. Если атомная станция производит только электроэнергию, то такая АС называется конденсационной и обозначается обычно АЭС. На такой АС используется обычно конденсационная турбина, в конденсаторе которой поддерживается довольно глубокий вакуум.

Если наряду с производством электроэнергии вырабатывается и тепло для потребителя, то такие станции называются теплоэлектроцентралями и обозначаются АТЭЦ. Турбины на таких АС теплофикационные со специальными регулируемыми отборами пара, а иногда и с противодавлением, т.е. с давлением на выхлопе выше атмосферного.

Если АС предназначена только для выработки тепла, то она называется атомной станцией теплоснабжения (АСТ). Если станция предназначена не только для выработки тепла, но и для производства среднепотенциального пара

16

для промышленного потребления, то это атомная станция промышленного теплоснабжения (АСПТ).

Классифицировать АС можно по разным признакам. Прежде всего, это следующие.

По числу контуров - АС делятся на одно-, двух- и трехконтурные.

По энергии нейтронов в реакторе – с реакторами на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах.

По конструктивным особенностям реактора. Сюда относят, прежде всего то, является ли реактор корпусным или канальным, с водой под давлением или с кипящей водой и т.д.

По типу замедлителя – вода обычная и тяжелая, графит.

По типу турбины – с турбиной на насыщенном паре или на перегретом паре. Например, АЭС с реактором ВВЭР-1000 – это двухконтурная АЭС с реактором корпусного типа на тепловых нейтронах, с водой под давлением в

качестве теплоносителя и замедлителя и с турбиной на насыщенном паре.

2.1 Распределение и потребление энергии, энергосистемы.

Основное назначение электрических станций, в том числе и атомных, - снабжение потребителя электроэнергией и теплом. Особенность работы электрических станций – практическое совпадение производимой и потребляемой энергии, т.к. запасать электроэнергию впрок в настоящее время очень трудно, нет хороших и надежных аккумуляторов, позволяющих накапливать большие запасы электроэнергии. Имеющиеся аккумуляторы используют в ограниченных количествах и в основном для систем надежного питания.

Неразрывность производства и потребления электроэнергии предъявляет весьма высокие требования к надежности работы электростанций. Для обеспечения бесперебойности электроснабжения и уменьшения резерва электрогенерирующих мощностей отдельные электрические станции

17

объединяют в энергосистемы. Такое объединение позволяет наиболее рационально использовать специфические особенности отдельных электрогенерирующих предприятий, входящих в энергосистему. Например, станции с большими капиталовложениями и относительно дешевым топливом целесообразно использовать наиболее полно, и наоборот, станции на дорогом топливе лучше использовать менее продолжительное время.

В настоящее время в России существуем довольно много региональных систем, которые в свою очередь входят в состав объединенных, более крупных энергосистем.

2.2 Графики электрической и тепловой нагрузок.

Условия работы энергосистемы и входящих в ее состав электрогенерирующих предприятий (электростанций) определяются режимом электро- и теплопотребления обслуживаемого ими региона. Электро- и теплопотребление характеризуются соответствующими графиками нагрузок: суточными, недельными, годовыми. Различаются графики промышленной и коммунально-бытовой нагрузки, летний и зимний графики, в рабочие и выходные дни. В среднем промышленная нагрузка превышает коммунальнобытовую примерно в 5-6 раз.

2.2.1 Графики электрических нагрузок

Основной график нагрузки – суточный. Электропотребление в течение суток существенно изменяется в относительно короткие промежутки времени, поэтому покрытие этого графика – наиболее сложная задача. Суточный график подразделяется на постоянную и переменную части. Постоянная часть отвечает минимальной нагрузке, а переменная часть – это та часть графика, которая лежит выше минимальной. Неравномерность графика электрической нагрузки

18

характеризуется так называемыми коэффициентами заполнения графика – α и β. Эти коэффициенты определяются следующим образом:

Здесь Wmin, Wmax, Wср – минимальная, максимальная и среднеинтегральная электрическая нагрузка (за рассматриваемый период – сутки, неделя).

Плотности суточных графиков зависят от ряда обстоятельств. Следует отметить, что наиболее неравномерным является суточный график электрической нагрузки коммунально-бытового потребителя, менее неравномерный – суточный график электрической нагрузки промышленного потребителя, рисунок 1, 2. Для коммунально-бытового потребителя величина α может быть оценена как α ≈ 0.45, а β ≈ 0.8. для промышленного потребителя α ≈ 0.75, β ≈ 0.9.

Для построения суточного графика электрической станции или энергосистемы региона необходимо ещё учесть расход электроэнергии на электрифицированный транспорт, на собственные нужды, а также потери в энергосистеме. Как уже отмечалось, объединение электростанций с энергосистему позволяет более рационально использовать специфические возможности электрогенерирующих предприятий. Для оптимального распределения нагрузки между отдельными электростанциями, входящими в энергосистему, для региона строят суточные графики электрических нагрузок для всех времен года. На основании этих данных строят годовой график электрических нагрузок по продолжительности, рисунок 3. Этот график характеризует число часов в году τi, в течение которых нагрузка энергосистемы равна величине Wi. Нагрузку, характерную для наибольшего числа часов работы, называют базовой, а для наименьшего числа часов – пиковой. Распределяют суммарную нагрузку по отдельным станциям таким образом, чтобы обеспечить наиболее экономичную работу энергосистемы в целом. В частности, целесообразно станции, имеющие меньшие издержки на топливо и эксплуатационные расходы, загружать большее число часов в году, а станции с

19

большими издержками на топливо и большими эксплуатационными расходами

– меньшее число часов. В настоящее время в России атомные станции работают в основном в базовом режиме, т.е. на покрытие базовых нагрузок.

20