Как работает атомная электростанция: контуры, турбина, градирни

• ≈ 16 МПадавление в первом контуре ВВЭР
• ≈ 1/3тепла реактора становится электроэнергией
• 3000 об/минобороты турбины и генератора при 50 Гц (тихоходных — 1500)
• 7–8 млрд кВт·чвырабатывает за год блок мощностью 1000 МВт

Тепловая станция с необычным котлом

С точки зрения энергетика атомная электростанция (АЭС) — разновидность тепловой. Турбина, генератор, конденсатор, насосы и подогреватели здесь по принципу действия те же, что на угольной или газовой ТЭС, только рассчитаны на другие параметры пара. Различается источник тепла: на ТЭС это сгорающее топливо, на АЭС — цепная реакция деления ядер урана в реакторе.

Отсюда главные отличия. Реактору не нужен воздух для горения, поэтому у АЭС нет дымовых газов и золы. Топливо не подвозят каждый день: его загружают в реактор сразу на несколько лет и раз в 12–18 месяцев меняют часть сборок. Зато у ядерного тепла есть спутник — радиоактивность, и вся схема станции построена так, чтобы она оставалась внутри.

Путь энергии на АЭС с реактором ВВЭР выглядит так:

1. В активной зоне реактора делятся ядра урана, и энергия разлетающихся осколков превращается в тепло.
2. Тепло забирает вода первого контура и несёт его в парогенераторы.
3. В парогенераторах закипает вода второго контура, пар идёт на турбину.
4. Турбина вращает генератор, генератор вырабатывает ток.
5. Отработавший пар снова становится водой в конденсаторе, а лишнее тепло уходит в водоём или в атмосферу.

Что происходит внутри самого реактора — топливо, замедлитель, регулирующие стержни, — подробно разобрано в статье «Как устроен ядерный реактор». Здесь речь о том, что вокруг него.

Путь энергии на АЭС с ВВЭР. Первый контур (оранжевый) переносит тепло от реактора к парогенератору и не выходит из гермооболочки. Во втором (голубой) вода кипит, пар крутит турбину с генератором и конденсируется. Третий (светлый) уносит оставшееся тепло в градирню — около двух третей тепла реактора.

Первый контур: вода, которая не кипит при 320 °C

ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор: обычная вода в нём и замедляет нейтроны, и отводит тепло, то есть служит теплоносителем. Она циркулирует по замкнутому кольцу — это первый контур. Из реактора вода выходит нагретой примерно до 320 °C (у ВВЭР-1200 — почти до 330 °C). По трубопроводу — «горячей» нитке — она попадает в парогенератор, отдаёт там тепло и по «холодной» нитке возвращается в реактор, остыв примерно на 30 градусов.

Гонит воду по кругу главный циркуляционный насос (ГЦН). У ВВЭР-1000 таких колец — петель — четыре, в каждой свой парогенератор и свой ГЦН. Вместе насосы прокачивают через активную зону порядка 80 тысяч кубометров воды в час. В воду добавляют борную кислоту: бор поглощает нейтроны, и его концентрацией помогают управлять реактором.

Чтобы при 320 °C вода оставалась жидкой, в контуре держат давление около 16 МПа — примерно 160 атмосфер. Принцип тот же, что у скороварки: чем выше давление, тем выше температура кипения. При атмосферном давлении вода кипит при 100 °C, а при давлении первого контура — около 345–350 °C. Запас в пару десятков градусов и не даёт ей закипеть в активной зоне.

Почему вода в первом контуре не кипит

• 100 °Cкипит при атмосферном давлении
• ≈ 320 °Cвыходит из реактора
• 345–350 °Cкипит при давлении ≈ 16 МПа

Компенсатор давления

Давление поддерживает компенсатор давления — высокий вертикальный сосуд, присоединённый к горячей нитке одной из петель. Внизу в нём вода, вверху — паровая подушка. Это единственное место первого контура, где вода кипит, причём намеренно: её нагревают электронагреватели. Чтобы поднять давление, нагреватели включают, и пара становится больше. Чтобы снизить — в паровое пространство впрыскивают более холодную воду из холодной нитки, и часть пара конденсируется.

Паровая подушка работает как пружина: когда вода в контуре нагревается и расширяется или остывает и сжимается, избыток воды уходит в компенсатор или возвращается из него, а скачки давления сглаживаются. Раньше этот сосуд так и называли — компенсатор объёма.

Проходя через активную зону, вода первого контура становится радиоактивной: под действием нейтронов в ней образуются радионуклиды, накапливаются и активированные продукты коррозии. Поэтому реактор, парогенераторы, ГЦН, компенсатор давления и главные трубопроводы стоят внутри гермооболочки — прочного герметичного здания, о котором речь пойдёт ниже.

Второй контур: от парогенератора до турбины

Парогенератор — огромный теплообменник. Внутри его корпуса проложены тысячи тонких трубок из нержавеющей стали, по ним течёт горячая вода первого контура. Снаружи трубки омывает вода второго контура. Давление в ней в два с лишним раза ниже, 6–7 МПа, поэтому при той же температуре она закипает. У ВВЭР парогенераторы горизонтальные — лежачие цилиндры; это отличительная черта российских реакторов, у большинства зарубежных аналогов они вертикальные.

Стенки трубок — граница между контурами. Вода первого и второго контуров нигде не смешивается: тепло передаётся только через металл. Поэтому пар, который идёт на турбину, не радиоактивен. На паропроводах стоят датчики радиационного контроля — если в какой-то трубке появится течь, они быстро её заметят.

Пар выходит из парогенератора при температуре около 280 °C. По меркам тепловой энергетики это скромно: на угольных ТЭС пар перегревают выше 500 °C. Пар на АЭС насыщенный, на самой границе конденсации, и в турбине из него выпадают капли, которые на огромной скорости бьют по лопаткам и постепенно разрушают их. Поэтому после цилиндра высокого давления пар проходит через сепаратор-пароперегреватель: там капли отделяют, пар подогревают и только потом направляют в цилиндры низкого давления.

Пар второго контура

• 6–7 МПадавление — в два с лишним раза ниже, чем в первом контуре
• ≈ 280 °Cнасыщенный пар на выходе из парогенератора
• > 500 °Cдля сравнения: так перегревают пар на угольных ТЭС

Отработав в турбине, пар попадает в конденсатор — теплообменник с множеством трубок, по которым течёт охлаждающая вода. В конденсаторе поддерживают вакуум: давление в два десятка раз ниже атмосферного, и пар превращается в воду при температуре около 30 °C. Чем ниже давление за турбиной, тем больше работы успевает совершить пар. Конденсатные насосы прогоняют воду через подогреватели, где её греют паром из отборов турбины, и через деаэратор, где из неё удаляют растворённые газы. Питательные насосы снова подают воду в парогенераторы — круг замкнулся.

Генератор и 50 герц

Турбина и генератор вращаются на общем валу и вместе называются турбоагрегатом. Частота тока в российской энергосистеме — 50 Гц, и от неё зависят обороты. Двухполюсный генератор за один оборот ротора даёт одно полное колебание тока, поэтому ему нужно ровно 3000 об/мин. Четырёхполюсному хватает 1500 об/мин. На АЭС встречаются оба варианта: у тихоходной турбины можно сделать более длинные лопатки последних ступеней и пропустить огромный объём пара невысоких параметров.

Генератор выдаёт ток напряжением порядка 20 кВ. Блочный трансформатор повышает его до сотен киловольт, и электроэнергия уходит в линии электропередачи. Несколько процентов выработки станция тратит на себя — на насосы, вентиляцию, системы контроля. С учётом остановок на перегрузку топлива и ремонт блок мощностью 1000 МВт вырабатывает за год порядка 7–8 млрд кВт·ч. Для этого ему нужно около двух десятков тонн урана в составе свежего топлива — о том, как его делают, рассказано в статье «Ядерный топливный цикл». Угольной станции той же мощности понадобились бы миллионы тонн угля — десятки тысяч вагонов в год.

Куда уходят две трети тепла

Блок ВВЭР-1000 производит около 3000 МВт тепла и выдаёт около 1000 МВт электроэнергии — его КПД около трети. Остальные примерно 2000 МВт уносит вода, охлаждающая конденсатор. Это не просчёт конструкторов, а закон термодинамики: тепловая машина превращает в работу лишь часть тепла, и тем большую, чем горячее пар на входе и холоднее на выходе. Пар на АЭС с ВВЭР сравнительно «холодный», поэтому КПД ниже, чем у лучших угольных станций, где он превышает 40 %. У ВВЭР-1200 параметры пара выше, и из примерно 3200 МВт тепла получается около 1200 МВт электроэнергии — уже больше трети.

Куда уходят 3000 МВт тепла блока ВВЭР-1000

• ≈ 1000 МВтстановятся электроэнергией
• ≈ 2000 МВтуносит вода, охлаждающая конденсатор

Это не просчёт конструкторов, а закон термодинамики.

Отвести это тепло можно по-разному. Можно брать воду из реки, озера, моря или специально созданного водоёма-охладителя, прогонять через конденсатор и возвращать обратно чуть более тёплой. А можно поставить градирни — огромные полые башни высотой больше сотни метров, с характерной «талией». Тёплая вода стекает в градирне по оросителю тонкими струями и плёнками, а снизу навстречу ей поднимается воздух: башня работает как печная труба и сама создаёт тягу. Небольшая часть воды испаряется и уносит с собой основную долю тепла, а остывшая вода возвращается в конденсатор.

Воду, которая охлаждает конденсатор, в популярных описаниях часто называют третьим контуром. Вот все три:

Один контур, два или три

Двухконтурная схема — не единственная. В одноконтурной вода кипит прямо в реакторе, и пар из него сразу идёт на турбину. Так работают канальные реакторы РБМК и зарубежные кипящие корпусные реакторы (BWR). Схема проще: не нужны парогенераторы, а давление в реакторе ниже — около 7 МПа.

Цена простоты — радиоактивный пар в турбине. Главный источник его активности — азот-16, который образуется из кислорода воды под действием нейтронов. Его период полураспада около 7 секунд, поэтому после остановки реактора активность быстро спадает. Но во время работы турбину приходится защищать как радиационный объект, а ремонтировать её сложнее.

Бывает и три контура — у реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, например БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС. Натрий бурно реагирует с водой, поэтому между радиоактивным натрием первого контура и пароводяным контуром ставят промежуточный — тоже натриевый, но нерадиоактивный. Если в парогенераторе появится течь, с водой встретится только «чистый» натрий.

Что видно на площадке АЭС

Атомную станцию легко узнать издалека по нескольким сооружениям:

• Реакторное отделение. У современных блоков это цилиндрическое здание с куполом — гермооболочка, внутри которой реактор и оборудование первого контура.
• Машинный залдлинный корпус рядом. В нём турбоагрегат, конденсаторы, подогреватели и насосы второго контура.
• Градирнисамые заметные сооружения, хотя есть не везде: многим станциям хватает водоёма-охладителя.
• Вентиляционная трубавысокая и тонкая. Это не дымовая труба, ведь на АЭС ничего не горит. Через неё отводится воздух из систем вентиляции, предварительно очищенный фильтрами, а высота нужна, чтобы выброс рассеивался в атмосфере.
• Трансформаторы и открытое распределительное устройство (ОРУ). Блочные трансформаторы стоят у стены машинного зала, а ОРУ — отдельная площадка с порталами, выключателями и шинами, откуда начинаются линии электропередачи.

Менее заметны, но не менее важны резервные дизель-генераторы: они питают системы безопасности, если станция потеряет связь с внешней сетью. Есть также насосные станции, хранилища и спецкорпус, где очищают радиоактивные воды и перерабатывают отходы.

Безопасность: несколько линий защиты

Безопасность АЭС строится на принципе глубокоэшелонированной защиты. Между радиоактивными веществами и окружающей средой стоят несколько физических барьеров: топливная таблетка, оболочка твэла, стенки первого контура и гермооболочка. Подробно о барьерах и о защите от излучения — в статье «Радиация и защита от неё».

Гермооболочка — последний и самый заметный барьер. Её стены из преднапряжённого железобетона толщиной больше метра изнутри облицованы стальным листом. Она рассчитана выдержать давление пара, если разорвётся самый крупный трубопровод первого контура. У ВВЭР-1200 оболочка двойная: внутренняя держит давление изнутри, наружная защищает от внешних воздействий — урагана, взрывной волны, падения самолёта.

Системы безопасности бывают активными и пассивными. Активным для работы нужно электропитание: это, например, насосы аварийного охлаждения активной зоны или спринклерная система, которая разбрызгивает воду под куполом и снижает давление. Пассивные работают без электропитания и без участия персонала — за счёт силы тяжести, давления сжатого газа, естественной циркуляции воды и воздуха. Пример — гидроёмкости: баки с раствором борной кислоты под давлением азота, которые сами выдавливают его в реактор, если давление в первом контуре упадёт.

Активные и пассивные системы безопасности

Ещё одна особенность ВВЭР-1200 — ловушка расплава: стальная ёмкость под реактором, заполненная специальным «жертвенным» материалом. Она рассчитана на самую тяжёлую и крайне маловероятную аварию с расплавлением активной зоны: принять расплав, удержать и охладить его, не выпустив за пределы гермооболочки.

Термины

• ТеплоносительВещество, которое отводит тепло от активной зоны реактора; в ВВЭР это вода под давлением.
• Первый контурЗамкнутый контур, по которому теплоноситель циркулирует через реактор и парогенераторы.
• ГЦНГлавный циркуляционный насос, который прокачивает воду первого контура через реактор.
• Компенсатор давленияСосуд с водой и паровой подушкой, поддерживающий давление в первом контуре.
• ПарогенераторТеплообменник, в котором тепло воды первого контура превращает воду второго контура в пар.
• КонденсаторТеплообменник, в котором отработавший в турбине пар снова становится водой.
• ГрадирняБашня, в которой охлаждающая вода остывает за счёт тяги воздуха и частичного испарения.
• ГермооболочкаПрочное герметичное здание вокруг реактора, которое удерживает радиоактивные вещества при аварии.

Частые вопросы

Радиоактивен ли пар над градирнями АЭС?

Нет. Облако над градирней — это капли воды из системы охлаждения конденсатора, а эта вода не соприкасается ни с реактором, ни с водой первого контура. От радиоактивного теплоносителя её отделяют трубки парогенератора и трубки конденсатора.

Почему КПД атомной электростанции всего около трети?

Пар на АЭС с ВВЭР имеет температуру около 280 °C, а по законам термодинамики чем ниже температура пара, тем меньшую долю тепла можно превратить в работу. Остальные две трети тепла уходят в систему охлаждения — в водоём или через градирни в атмосферу.

Чем одноконтурная АЭС отличается от двухконтурной?

В одноконтурной вода кипит прямо в реакторе и пар сразу идёт на турбину — так устроены блоки с РБМК и кипящими реакторами. В двухконтурной, как у ВВЭР, радиоактивная вода первого контура отдаёт тепло в парогенераторе, а на турбину идёт нерадиоактивный пар второго контура.

Зачем на АЭС высокая труба, если там ничего не горит?

Это вентиляционная труба. Через неё отводится воздух из систем вентиляции помещений после очистки фильтрами, а высота нужна, чтобы выброс рассеивался в атмосфере.

Сколько электроэнергии вырабатывает один энергоблок АЭС?

Блок мощностью 1000 МВт с учётом остановок на перегрузку топлива и ремонт вырабатывает за год порядка 7–8 млрд кВт·ч. Блок ВВЭР-1200 — пропорционально больше.