2.3. Классификация атомных электростанций

Наиболее важной классификацией для АЭС является их классификация по числу контуров. В соответствие с ней различают АЭС одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные. Но независимо от числа контуров на современных АЭС в качестве преобразователя работы адиабатически расширяющегося пара в механическую энергию вращения применяют паровые турбины.

В системе АЭС различают теплоноситель и рабочее тело. Рабочим телом называется вещество, совершающее работу с преобразованием тепловой энергии в механическую. Как и в ТЭС, рабочим телом на АЭС является водяной пар. Но требования к чистоте пара, поступающего на турбину АЭС, настолько высоки, что могут быть удовлетворены с экономически приемлемыми показателями только при конденсации всего пара и возврате конденсата в цикл. Поэтому контур рабочего тела для АЭС, как и для любой современной ТЭС, всегда замкнут и добавочная вода поступает в него лишь в небольших количествах для восполнения утечек и других потерь конденсата.

Теплоносителем на АЭС называется вещество, которое принимает на себя тепловую энергию, выделяющуюся в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) активной зоны реактора. Назначение теплоносителя на АЭС — охлаждать ТВЭЛ до заданной температуры и отводить теплоту в теплообменник первого контура. Для предотвращения отложений на тепловыделяющих элементах необходима очень высокая чистота теплоносителя. Поэтому для него также необходим замкнутый контур и в особенности потому, что теплоноситель реактора всегда радиоактивен.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела не разделены, то АЭС называют одноконтурной. В этом случае парообразование происходит прямо в реакторе и далее радиоактивный пар направляется в турбину. После конденсации всего пара в конденсаторе конденсат подается снова в реактор. Такие реакторы работают с принудительной циркуляцией теплоносителя.

В одноконтурной схеме все оборудование работает в радиационных условиях, что осложняет его эксплуатацию. Большое преимущество таких схем — простота и большая экономичность. Параметры пара перед турбиной и в реакторе отличаются лишь на значение потерь в паропроводах. По одноконтурной схеме работают Ленинградская, Курская и Смоленская АЭС. А до 1986 г. работала Чернобыльская АЭС.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела разделены, то АЭС называют двухконтурной. Соответственно контур теплоносителя называют первым, а контур рабочего тела — вторым. В такой схеме реактор охлаждается теплоносителем, который прокачивается через него и через парогенератор специальным насосом, который называется главным циркуляционным насосом (ГЦН). Образованный таким образом контур теплоносителя является радиоактивным. Он включает в себя не всё оборудование станции, а только часть оборудования. В систему первого контура входит компенсатор объема, так как объем теплоносителя изменяется в зависимости от температуры.

Пар из парогенератора двухконтурной АЭС поступает в турбину, затем в конденсатор, а конденсат из него насосом возвращается в парогенератор. Образованный таким образом второй контур включает в себя оборудование, работающее в отсутствие радиации; это упрощает эксплуатацию станции. На двухконтурной АЭС обязателен парогенератор — устройство, разделяющее оба контура, поэтому оно в равной степени принадлежит как первому, так и второму. Передача теплоты через поверхность нагрева требует перепада температур между теплоносителем и кипящей водой в парогенераторе. Для водного теплоносителя это означает поддержание в первом контуре более высокого давления, чем давление пара, подаваемого на турбину. Стремление избежать закипания теплоносителя в активной зоне реактора приводит к необходимости иметь в первом контуре давление, существенно превышающее давление во втором контуре. По двухконтурной схеме работают Нововоронежская, Кольская, Балаковская и Калининская АЭС и все нынешние украинские АЭС.

В качестве теплоносителя в схеме АЭС, могут быть использованы также и газы. Газовый теплоноситель прокачивается через реактор и парогенератор газодувкой, играющей ту же роль, что и ГЦН. Но в отличие от водного теплоносителя для газового теплоносителя давление в первом контуре может быть не только выше, но и ниже, чем во втором. Об АЭС такого типа мы расскажем позже.

Каждый из описанных двух типов АЭС с водным теплоносителем имеет свои преимущества и недостатки, поэтому развиваются АЭС обоих типов. У них имеется ряд общих черт, к их числу относится работа турбин на насыщенном паре средних давлений. Одноконтурные и двухконтурные АЭС с водным теплоносителем наиболее распространены, причем в мире предпочтение отдается двухконтурным АЭС.

В процессе эксплуатации возможно возникновение неплотностей на отдельных участках парогенератора, особенно в местах соединения парогенераторных трубок с коллектором или за счет коррозионных повреждений самих трубок. Если давление в первом контуре выше, чем во втором, то может возникнуть перетечка радиоактивного теплоносителя, приводящая к радиоактивному загрязнению второго контура. В определенных пределах такая перетечка не нарушает нормальной эксплуатации АЭС. Но существуют теплоносители, которые с большим выделением тепла взаимодействующие с паром и водой. Это может создать опасность выброса радиоактивных веществ в обслуживаемые помещения. Таким теплоносителем является, например, жидкий натрий. Поэтому создают дополнительный, промежуточный контур для того, чтобы даже в аварийных ситуациях можно было избежать контакта радиоактивного натрия с водой или водяным паром. Такую АЭС называют трехконтурной.

На такой АЭС радиоактивный жидкометаллический теплоноситель насосом прокачивается через реактор и промежуточный теплообменник, в котором отдает теплоту нерадиоактивному жидкометаллическому теплоносителю. Последний прокачивается через парогенератор по системе, образующей промежуточный контур. Давление в промежуточном контуре поддерживается более высоким, чем в первом. Поэтому перетечка радиоактивного натрия из первого контура в промежуточный невозможна. В связи с этим при возникновении неплотности между промежуточным и вторым контурами взаимодействие воды или пара будет только с нерадиоактивным натрием. Система второго контура для трехконтурной схемы аналогична двухконтурной схеме. Трехконтурные АЭС наиболее дорогие из-за большого количества оборудования. По трехконтурной схеме работают Шевченковская АЭС и третий блок Белоярской АЭС. На Украине таких АЭС пока нет.

Кроме классификации атомных электростанций по числу контуров можно выделить отдельные типы АЭС в зависимости:

— от типа реактора (на тепловых или быстрых нейтронах);

— от параметров и типа паровых турбин (например, АЭС с турбинами на насыщенном или перегретом паре);

— от параметров и типа теплоносителя (с газовым теплоносителем, теплоносителем "вода под давлением", жидкометаллическим и др.);

— от конструктивных особенностей реактора (например, с реакторами канального или корпусного типа, кипящими с естественной или принудительной циркуляцией и др.);

— от типа замедлителя реактора (например, с легководным, графитовым или тяжеловодным замедлителем, и др).

Одним из преимуществ АЭС является значительная чистота воздушного бассейна вокруг АЭС в сравнении с обстановкой вокруг ТЭС. Экологические исследования ясно показывают, что даже по долгоживущим радионуклидам обстановка в воздушном бассейне для ТЭС хуже, чем для АЭС, так как с золой органических топлив в атмосферу выбрасываются радиоактивные изотопы радия. В ещё большей степени радиоактивные выбросы имеют место при сжигании в котлах горючих сланцев. Однако АЭС будет сохранять свои преимущества в отношении чистоты воздушного бассейна только при условии её нормальной работы.