1―Активная зона; 2―тепловыделяющие элементы (твэлы); 3―отражатель; 4―защита; 5―теплоноситель; 6―теплообменник; 7―паровая турбина; 8―конденсатор; 9―электрический генератор
Ядерное топливо вводится в активную зону в виде так называемых тепловыделяющих элементов — твэлов. В твэлах ядерное топливо загружается в объем, создаваемый металлической оболочкой, которая предохраняет топливо от химического воздействия теплоносителя и препятствует неконтролируемому уходу топлива из объема наружу. Твэлы делаются обычно в виде тонких стержней для того, чтобы улучшить условия теплоотвода и замедления нейтронов. Количество таких тепловыделяющих элементов может достигать нескольких тысяч. Твэлы обычно изготавливают из циркония, алюминия, нержавеющей стали.
В качестве замедлителей, способствующих изменению процесса протекания цепной реакции, используются графит и тяжелая вода. В качестве отражателей используются устройства, содержащие практически те же вещества, которые служат замедлителями. Цель отражателей — уменьшить утечку нейтронов и тем самым улучшить условия самоподдержания процесса деления ядер урана-235.
Энергия, выделенная в результате реакций деления, отводится из активной зоны теплоносителем. Выбор теплоносителя в значительной степени определяется областью энергий нейтронов, где происходит большая часть реакций деления.
В соответствии с классификацией реакторов по виду теплоносителя и замедлителя среди отечественных реакторов на тепловых нейтронах выделяются:
водографитовые реакторы, в которых теплоносителем является вода, замедлителем ― графит. В данную группу входят реакторы большой мощности канальные (РБМК). АЭС с РБМК имеют одноконтурную схему;
водоводяные реакторы с водой под давлением (ВВЭР), в которых замедлителем и теплоносителем служит обессоленная вода. АЭС с ВВЭР имеют двухконтурную схему.
АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (РБН) имеют трехконтурную схему: в первом контуре теплоносителем является жидкий радиоактивный натрий (или калий), во втором ― нерадиоактивный натрий (или калий), в третьем ― нерадиоактивная вода, нагреваемая в парогенераторе теплом нерадиоактивного натрия второго контура. Нерадиоактивный насыщенный пар третьего контура поступает в паровую турбину.
Первая в мире атомная электростанция была введена в эксплуатацию в 1954 г. в г. Обнинске. Первой промышленной атомной теплоэлектроцентралью (АТЭЦ) в нашей стране стала Билибинская АЭС (Чукотский автономный округ), которая успешно эксплуатируется более 30 лет. В настоящее время также прорабатываются проекты по использованию атомной энергии для целей теплоснабжения.
Электрооборудование тэс и принципиальная схема энергосистемы
Работа электрогенератора основана на известном законе электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитные силовые линии, возникает электродвижущая сила (ЭДС), направление которой определяется правилом правой руки. Индуцируемая ЭДС при движении проводника перпендикулярно силовым линиям магнитного поля определяется значением индукции, длиной проводника и скоростью его перемещения.
Турбогенератор — это электромеханический трехфазный индукционный генератор переменного тока. Ротор его представляет собой электромагнит, обмотки которого питаются постоянным током от специального возбудителя. Роторы генератора и возбудителя имеют обычно общий вал. Мощность возбудителя не превышает нескольких процентов мощности генератора. При вращении ротора — электромагнита ― образуется вращающееся магнитное поле, а в обмотках статора, пересекаемых этим магнитным полем, наводится переменная ЭДС. Ротор турбогенератора имеет одну пару полюсов; обмотки статора выполняются из трех секций, сдвинутых относительно друг друга по окружности на 120°. В процессе работы генератора в его обмотках (рис. 2.11) индуцируется переменный трехфазный ток, представляющий совокупность трех однофазных переменных токов, сдвинутых по фазе на 1/3 периода.
Рис. 2.11. Схема работы трехфазного генератора с одной парой полюсов
Паровые турбины тепловых и атомных электростанций — машины быстроходные, их роторы вращаются со скоростью 3000 об/мин, а частота индуцируемого переменного тока составляет 50 Гц. В этом случае ротор генератора — электромагнит с одной парой полюсов.
Получить переменный ток такой же частоты можно и при более медленном вращении ротора. Для генераторов, работающих на сеть с частотой f = 50 Гц, ротор можно вращать в 2, 3, 4... раза медленнее, устанавливая на роторе соответственно 2, 3, 4... пары полюсов; тогда период генерируемого тока будет соответствовать времени, необходимому для поворота ротора соответственно на 1/2, 1/3, 1/4... долю окружности. Многополюсные роторы, имеющие, например, 48 пар полюсов, применяются на тихоходных турбинах гидростанций.
Важное преимущество переменного тока — простота преобразования напряжения, что особенно важно для передачи его на большие расстояния. В зависимости от мощности генератора выработка электроэнергии осуществляется при напряжении 10 500―20 000 В. Передавать электроэнергию на далекие расстояния при таких напряжениях невыгодно, потери в линии из-за нагрева проводов будут велики. Основной путь уменьшения потерь — уменьшение силы тока в линии электропередачи при одновременном повышении напряжения. Повышение напряжения в линии электропередачи и снижение его в местах потребления электроэнергии производятся с помощью трансформаторов, действие которых основано на явлениях магнитной индукции (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Схема трансформатора:
n1, n2 — число витков обмотки трансформатора; I1, I2 — величина тока; U1, U2 — напряжение на первичной и вторичной обмотках
В результате прохождения переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике трансформатора возникает переменный магнитный поток Ф, возбуждающий ЭДС во вторичной обмотке. Если во вторичной обмотке число витков больше, чем в первичной, напряжение будет повышаться, а ток уменьшаться.
Напряжения и токи в первичной и вторичной обмотках трансформатора в зависимости от числа витков связаны соотношениями
Трансформаторы устанавливаются на подстанциях электростанций и у потребителей, обеспечивая последних электроэнергией необходимого для их работы уровня напряжения.
Группа электростанций, связанных электрическими сетями между собой и с потребителями электроэнергии образуют энергосистему. Независимо от удаления входящих электростанций и протяженности линий электропередач (ЛЭП), все они представляют собой единое целое, связанное общностью режима работы и непрерывностью процесса производства и распределения электроэнергии.
На электростанциях электроэнергия вырабатывается на напряжении 6 —10 кВ, а затем повышается на подстанциях электростанций. Повышение напряжения при передаче электроэнергии имеет положительный эффект, так как приводит к снижению потерь в электрической сети, уменьшает требуемое сечение проводов ЛЭП, а следовательно, капиталовложения на сооружение ЛЭП и подстанций. Передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется на напряжении 110, 220, 500, 750 и 1150 кВ. Чем выше напряжение, тем больше экономически обоснованная дальность передачи электроэнергии.
Электрические сети по уровню напряжения и масштабу передачи электроэнергии делятся:
на распределительные (напряжением от 220 В до 6 кВ);
на районные и региональные (с напряжением от 6 кВ до 110 кВ);
на системные (напряжением от 220 кВ до 1150 кВ).
Понижение напряжения осуществляется обычно в несколько этапов на подстанциях городов, предприятий и жилых районов (рис. 2.13).
Электростанции в энергосистеме объединяются для параллельной работы по электрической нагрузке. Такое объединение имеет ряд экономических преимуществ. В силу технологических особенностей электроэнергетики в каждый момент времени выработка электроэнергии должна соответствовать потреблению и покрывать потери. Нарушение этого баланса приводит к снижению качества электроэнергии, что не только приводит к снижению энергоэффективности, но и может приводить к серьезным авариям. Так, повышение потребления без возможности соответствующего увеличения выработки приводит к снижению частоты, что, в свою очередь, вызывает нарушение производственных процессов и может привести к отключению электрогенераторов на электростанциях. Резкое снижение нагрузки вызывает повышение частоты и также может привести к отключению электрогенераторов.
Размеры электропотребления не остаются постоянным в течение суток, недели, года, изменяясь в зависимости от режима работы промышленных потребителей и коммунально-бытовой нагрузки. Имеют место и сезонные изменения нагрузки. Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения необходимо иметь резерв мощности, готовый к покрытию нагрузки при случайных ее изменениях. В энергосистеме величина такого резерва существенно меньше, чем при изолированной работе электростанций.
Рис. 2.13. Схема передачи и распределения электроэнергии
Параллельная работа электростанций создает условия для более рационального использования их мощностей и обеспечивает снижение себестоимости производимой электроэнергии.
В ходе развития электроэнергетической отрасли отдельные энергосистемы были объединены в ОЭС — объединенные энергосистемы, которые с помощью межсистемных ЛЭП напряжением 500 кВ и более сформировали Единую энергосистему — ЕЭС.
Объединенные в энергосистеме электростанции существенно различаются по уровню энергоэффективности.
Суммарный коэффициент использования топлива для паротурбинных конденсационных электростанций достигает 33 %. Тот же показатель для ТЭЦ может превышать 80 %, для газотурбинных электростанций достигает 36 %. Для парогазовых электростанций этот показатель превышает 43 %.
Основными факторами снижения капиталовложений и потерь энергии при ее передаче является повышение напряжения и совершенствование систем автоматизации управления. Для тепловых сетей эта задача решается путем повышения качества трубопроводов и совершенствования систем автоматизации.