Охлаждение АЭС: градирни, пруды-охладители и техническая вода

• ≈ 2/3тепла реактора уходит в окружающую среду через конденсатор
• ≈ 50 м³/сохлаждающей воды проходит через конденсаторы турбины на 1000 МВт
• 1–2 %оборотной воды испаряется за один проход через градирню
• 150–179 мвысота градирен Ленинградской, Нововоронежской и Курской АЭС-2

Тепло, которое не стало электричеством

Почему энергоблок с ВВЭР превращает в электроэнергию лишь около трети тепла реактора, рассказано в статье «Как работает атомная электростанция». Остальное — около 2000 МВт у блока ВВЭР-1000 — уносит вода, охлаждающая конденсатор турбины; как устроен сам конденсатор, описано в статье «Турбина и машинный зал АЭС». Здесь речь о том, откуда эта вода берётся и куда потом девается тепло.

Куда уходит тепло реактора

• ≈ третьстановится электроэнергией
• ≈ две третиуходит в окружающую среду — воде и воздуху

Масштаб задачи виден по расходу: через конденсаторы турбины на 1000 МВт проходит около 170 тысяч кубометров воды в час, почти 50 кубометров в секунду. Нагревается вода при этом примерно на 10 градусов. Чем холоднее она на входе, тем глубже вакуум в конденсаторе и тем больше мощности турбина выдаёт при том же расходе пара. Поэтому охлаждение — вопрос не только экологии, но и выработки.

Охлаждение турбины на 1000 МВт

• ≈ 170 тыс. м³/чводы проходит через конденсаторы
• ≈ 50 м³/сто же в секунду
• ≈ 10 °Cнагревается вода в конденсаторе

Всё хозяйство, которое подаёт воду на охлаждение, называют системой технического водоснабжения. Больше 90 % её воды идёт на конденсаторы, остальное — на охладители масла, генератора, подшипников насосов и другое вспомогательное оборудование. По тому, куда в конце концов уходит тепло, системы делят на три типа:

• прямоточнаяводу забирают из реки, озера или моря, один раз пропускают через конденсаторы и возвращают в источник подогретой;
• оборотная с водоёмом-охладителемодна и та же вода ходит по кругу между станцией и прудом, с поверхности которого тепло уходит в воздух;
• оборотная с градирнямиводу остужают в специальных башнях и снова подают в конденсаторы.

Выбор зависит от того, сколько воды есть рядом и какие ограничения действуют для водоёма. Этот вопрос решают ещё при выборе площадки станции.

Прямоток и пруд-охладитель

В прямоточной схеме вода проходит через водоприёмник с сороудерживающими решётками и вращающимися сетками, попадает к циркуляционным насосам, затем в конденсаторы и по сбросному каналу возвращается в источник. Холодная вода большого водоёма даёт хороший вакуум, а сооружения проще и дешевле, чем у оборотных систем. Но источник нужен полноводный: станция должна забирать лишь небольшую часть его стока, иначе водоём перегреется.

Поэтому прямоток выбирают у моря и больших озёр: Ленинградская АЭС с реакторами РБМК берёт воду из Финского залива, Кольская — из озера Имандра. Морская вода агрессивна, и для неё подбирают стойкие материалы трубок конденсаторов, насосов и водоводов.

Водоём-охладитель, или пруд-охладитель, обычно создают плотиной на небольшой реке или отгораживают дамбами часть водохранилища. Тёплую воду сбрасывают в одном конце пруда, забирают в другом, а струенаправляющая дамба заставляет её пройти длинный путь. По дороге вода остывает за счёт испарения, теплообмена с воздухом и излучения с поверхности, а потери на испарение и фильтрацию восполняет река.

Платой за простоту становится площадь: тепло уходит только через поверхность воды, и многоблочной станции нужен пруд в десятки квадратных километров. Так охлаждаются, например, Курская, Балаковская и Белоярская АЭС. Большая масса воды сглаживает суточные колебания температуры и служит запасом на случай перебоев с подпиткой.

Как устроена башенная градирня

Где большого водоёма нет или его нельзя нагревать, ставят градирни. Принцип их работы — встречный поток воздуха и испарение части воды — описан в статье о работе АЭС. Снизу вверх башенная градирня состоит из таких частей:

1. водосборный бассейнсюда стекает охлаждённая вода, отсюда её забирают насосы;
2. колоннаданаклонные железобетонные стойки под оболочкой; промежутки между ними служат воздуховходными окнами;
3. оросительслой пластмассовых блоков или решёток, по которому вода стекает плёнками и каплями, чтобы с воздухом соприкасалась как можно большая её поверхность;
4. водораспределительная систематрубы и желоба с разбрызгивающими соплами над оросителем;
5. водоуловительпакеты изогнутых пластин, которые задерживают капли, увлечённые воздухом;
6. вытяжная башняжелезобетонная оболочка, в которой тёплый влажный воздух поднимается к устью.

Тягу создаёт сама башня. Тёплый воздух, насыщенный паром, легче холодного наружного, и, как в дымовой трубе, разница давлений тем больше, чем выше столб тёплого воздуха. Поэтому градирни крупных блоков строят высокими: на Ленинградской, Нововоронежской и Курской АЭС-2 — от 150 до 179 м. Высоту выбирают по климату площадки и количеству тепла, которое нужно отвести.

Почему гиперболоид

Характерная «талия» градирни — не украшение. Её оболочка — гиперболоид вращения, и такая форма выгодна прежде всего для прочности. Поверхность, изогнутая сразу в двух направлениях, работает как жёсткая скорлупа: держит собственный вес и ветер и не теряет устойчивость, хотя стенка на большей части высоты — всего около 15–20 см железобетона и утолщается до метра только у нижнего опорного кольца. Тонкая оболочка — это и экономия материала: на 150-метровую башню уходит порядка 10 тысяч кубометров бетона.

Удобна форма и для воздуха: широкое основание даёт место оросителю большой площади и высоким воздуховходным окнам. К тому же однополостный гиперболоид — линейчатая поверхность: через каждую его точку проходят две прямые, целиком лежащие на ней. На этом свойстве построены сетчатые башни Шухова из прямых стальных стержней.

Вентиляторные и сухие градирни

В вентиляторной градирне воздух протягивает вентилятор над оросителем. Она намного ниже и компактнее башенной, а производительность легко менять, включая и отключая секции. Зато вентиляторы потребляют электроэнергию и требуют обслуживания, поэтому для главного охлаждения крупных блоков в России обычно строят башенные градирни. В сухих, радиаторных, градирнях вода остывает в закрытых оребрённых трубках без испарения и почти не теряется, но они дороги, а в жару вода в них остаётся теплее, чем в испарительных.

Три способа отвести тепло (схема). Башенная градирня охлаждает воду встречным потоком воздуха, который тянет вверх сама башня. В пруде-охладителе тёплая вода обходит дамбу и остывает, прежде чем вернуться к станции. Брызгальный бассейн охлаждает воду ответственных потребителей, разбрызгивая её соплами.

Испарение, подпитка, чистота воды

Градирня отдаёт тепло в основном испарением: каждый процент испарившейся воды охлаждает оставшуюся примерно на 5–6 градусов. За один проход через градирню испаряется 1–2 % циркулирующей воды — для блока на 1000 МВт это около двух тысяч кубометров в час. Ещё немного уносит воздух в виде капель, но водоуловители сводят этот унос к малым долям процента.

Испарение в градирне

• 1–2 %циркулирующей воды испаряется за один проход
• 5–6 °Cохлаждения даёт каждый процент испарившейся воды

Испаряется чистая вода, а соли остаются, и их концентрация в оборотной воде растёт. Поэтому часть воды постоянно сбрасывают — это продувка, — а убыль от испарения, уноса и продувки восполняет подпитка из реки или водохранилища. Если соли не держать под контролем, на трубках конденсатора начнёт оседать накипь, в основном карбонат кальция, теплообмен ухудшится, и вакуум упадёт.

Поэтому воду обрабатывают: в зависимости от её состава оборотную воду подкисляют или вводят в неё ингибиторы отложений, а подпиточную заранее умягчают известкованием. Образующийся при этом шлам, как и ил, который оседает в бассейнах градирен и в каналах, периодически удаляют. Отдельная забота — живые организмы: водоросли, бактериальная слизь и моллюски, прежде всего дрейссена, способная зарастить водоводы и решётки. С ними борются обработкой воды, а трубки конденсаторов чистят на ходу губчатыми резиновыми шариками, которые прокачивают через них вместе с водой.

Водозабор, рыба и тёплый сброс

Водозабор прямоточной станции пропускает десятки кубометров в секунду, и вместе с водой в него затягивает мусор, водоросли и рыбу, в том числе молодь. Мусор задерживают решётки и сетки, а для рыбы водозаборы оборудуют рыбозащитными устройствами: мелкоячеистыми сетчатыми экранами, струенаправляющими сооружениями, воздушно-пузырьковыми завесами, рыбоотводами, которые возвращают рыбу в водоём. Рыбозащита водозаборов обязательна по природоохранному законодательству. У оборотных систем забор воды в десятки раз меньше: из реки берут только подпитку.

Подогретая вода, вернувшаяся в водоём, образует зону с повышенной температурой. Зимой там не замерзает полынья, летом тёплая вода хуже удерживает кислород, быстрее развиваются водоросли. Поэтому нормы ограничивают и то, на сколько градусов сброс может нагреть водоём по сравнению с естественной температурой, и предельную температуру воды летом и зимой; для водоёмов с лососевыми и сиговыми рыбами требования строже. Соблюдение норм проверяют в контрольном створе ниже сброса.

Влияние снижают проектными решениями: разносят водозабор и сброс, забирают более холодную воду с глубины, устраивают рассеивающие выпуски, которые быстро перемешивают тёплую воду с холодной. Радикальное решение — оборотная система: для новых блоков Ленинградской АЭС-2 на том же берегу Финского залива построили градирни.

Вода для систем безопасности

Конденсатор нужен, пока блок вырабатывает электроэнергию. Но часть оборудования надо охлаждать всегда — и после аварийной остановки реактора, и при потере внешнего электроснабжения: теплообменники систем расхолаживания и бассейна выдержки, промежуточные контуры охлаждения, дизель-генераторы, насосы систем безопасности, кондиционеры их помещений. Таких потребителей называют ответственными, а воду для них подаёт отдельная система технического водоснабжения ответственных потребителей; на блоках с ВВЭР-1000 её называют ещё системой технической воды группы А.

Оборудование, где может оказаться радиоактивная среда, техническая вода охлаждает не напрямую, а через промежуточный контур с чистой водой, чтобы при течи теплообменника радиоактивные вещества не попали в водоём. Сама система относится к обеспечивающим системам безопасности и строится по их правилам, о которых рассказано в статье «Безопасность АЭС». Она разделена на независимые каналы — у энергоблока с ВВЭР-1000 их три, на Ленинградской АЭС-2 четыре. У каждого канала свои насосы, трубопроводы и арматура, при обесточивании насосы питает дизель-генератор своего канала, а сооружения рассчитаны на максимальное расчётное землетрясение.

Конечный приёмник этого тепла — обычно брызгальные бассейны: неглубокие железобетонные резервуары, над которыми проложены напорные трубы с соплами. Сопла выбрасывают воду вверх фонтанами, капли остывают в воздухе и падают обратно, а насосы снова подают воду потребителям. Вентиляторов здесь нет, а запаса воды в бассейнах хватает на заданное проектом время даже без подпитки. На Ленинградской АЭС-2, например, два брызгальных бассейна объёмом до 34 тысяч кубометров — по одному на два канала.

Зима и лето

Зимой главная опасность для градирни — обмерзание. Морозный воздух входит через окна внизу и встречает там воду, уже остывшую на оросителе. На кромках окон, колоннах и нижней части оросителя нарастает лёд, и его глыбы могут проломить ороситель. Поэтому зимой градирни переводят в особый режим:

• воду подают в основном на периферию оросителя, создавая у окон плотную тёплую завесу, а центральную часть отключают;
• часть воздуховходных окон закрывают щитами;
• при малой нагрузке часть воды сбрасывают прямо в бассейн, минуя ороситель;
• у вентиляторных градирен снижают обороты, отключают вентиляторы или включают их на обратное вращение, чтобы оттаять лёд.

У водоёмов свои зимние заботы. В переохлаждённой воде образуется шуга — рыхлый внутриводный лёд, который налипает на решётки и сетки и может перекрыть водозабор; против неё к водоприёмнику подают часть тёплой воды из сброса. Брызгальные бассейны зимой окутывает туман, вокруг нарастает наледь, поэтому часть сопел отключают.

Летом проблема обратная. В испарительной градирне воду нельзя охладить ниже температуры мокрого термометра — той, что показывает термометр, обёрнутый влажной тканью, — а в жаркий влажный день она высока. Вода приходит в конденсатор теплее, вакуум ухудшается, и турбина выдаёт меньше. Станциям с прямоточным охлаждением на реках в жаркое маловодное лето иногда приходится снижать мощность, чтобы не превысить допустимую температуру воды ниже сброса. Сведём способы охлаждения вместе:

Термины

• Система технического водоснабженияСооружения и оборудование, которые подают воду на охлаждение конденсаторов турбины и вспомогательного оборудования станции.
• Прямоточная системаСистема охлаждения, в которой вода один раз проходит через конденсаторы и возвращается в источник подогретой.
• Водоём-охладительПруд или отгороженная часть водохранилища, с поверхности которых тепло оборотной воды уходит в атмосферу.
• ОросительЗаполнитель градирни, по которому вода стекает плёнками и каплями навстречу потоку воздуха.
• ВодоуловительПакеты пластин в верхней части градирни, которые задерживают капли, увлечённые воздухом.
• Подпитка и продувкаПодпитка восполняет испарение и другие потери оборотной воды; продувка — постоянный сброс её части, чтобы в воде не накапливались соли.
• Ответственные потребителиОборудование, которое нужно охлаждать во всех режимах, включая аварии и обесточивание, — прежде всего оборудование систем безопасности.
• Брызгальный бассейнРезервуар с соплами, в котором вода охлаждается, разбрызгиваясь в воздухе; служит для охлаждения ответственных потребителей.

Частые вопросы

Почему у одних АЭС есть градирни, а у других нет?

Градирни нужны там, где рядом нет водоёма, способного принять тепло станции, или его нельзя нагревать. Станции у моря, больших озёр и прудов-охладителей отдают тепло прямо в воду, а с градирнями из реки берут только подпитку.

Сколько воды испаряет градирня АЭС?

За один проход через градирню испаряется 1–2 % циркулирующей воды — для блока на 1000 МВт это около двух тысяч кубометров в час. Эту убыль, а также продувку и капельный унос восполняет подпитка из реки или водохранилища.

Зачем градирне форма гиперболоида?

Такая оболочка прочна и экономна: изогнутая в двух направлениях, она держит собственный вес и ветер при стенке толщиной около 15–20 см на большей части высоты. Широкое основание к тому же даёт место оросителю и воздуховходным окнам.

Что такое брызгальный бассейн на АЭС?

Это неглубокий железобетонный резервуар с соплами, которые разбрызгивают воду фонтанами: капли остывают в воздухе и падают обратно. Брызгальные бассейны охлаждают воду для оборудования систем безопасности и хранят её запас на случай аварии.

Как АЭС влияет на температуру водоёма?

Сброс подогретой воды создаёт в водоёме зону с повышенной температурой. Нормы ограничивают, на сколько градусов можно нагреть воду по сравнению с естественной и какой она может быть летом и зимой, а влияние снижают разнесением водозабора и сброса, рассеивающими выпусками или переходом на градирни.