Пособие АЭС Зорин

Основной технологический процесс атомной паротурбинной электростанции — это получение тепловой энергии в ядерном реакторе, использование ее для производства пара, преобразование потенциальной энергии пара в механическую энергию вращающегося ротора турбины и преобразование последней в электрическую энергию в электрогенераторе, агрегатированном с турбиной единым валопроводом.

Изучение тепловых схем строится в соответствии с принципом структуризации системного подхода к исследованию сложных технических объектов. Даются ответы на вопросы о структуре отдельных частей технологической схемы, о выборе значений управляемых параметров, рассматриваются особенности используемого оборудования и локализуемых в нем процессов, важные для организации основного технологического процесса.

Материал сгруппирован по разделам, соответствующим основным технологическим установкам АЭС: паропроизводительной, паротурбинной. Необходимые для будущих инженеров-теплотехни- ков сведения по низкопотенциальной части АЭС, также являющейся основной технологической установкой, приводятся в вводной части (разд. I), так как вопросы ее исследования, проектирования и эксплуатации относятся к компетенции инженеров-гидротехников. При изложении особенностей устанавливаемого в тепловой схеме теплообменного оборудования автором учитывалось, что основные элементы паропроизводительной установки АЭС — реакторы, парогенераторы — изучаются студентами в специальных курсах, как и турбина — основной элемент паротурбинной установки. Важную роль в тепловой схеме играют насосы, и вопросам оценки их основных параметров посвящена специальная глава.

Ряд вопросов, относящихся к АЭС в целом, в том числе примеры технологических схем спроектированных и эксплуатируемых атомных электростанций различных типов, даны в специальном разделе.

Кроме оборудования основного технологического процесса в тепловую схему АЭС входят вспомогательные технологические системы, цель которых обеспечить требуемые значения параметров и характеристик основного технологического процесса в нормальных условиях эксплуатации и при их нарушении.

Системы, обеспечивающие и поддерживающие нормальные условия эксплуатации оборудования основного технологического процесса, делали необходимым рассмотрение вопросов эксплуатации АЭС. Системы безопасности, в свою очередь, обусловливали необходимость раскрытия аварий, возможных на АЭС, с их вероятными последствиями. В то же время учебное пособие по АЭС не должно заменять собой учебные пособия по другим дисциплинам.

11

Основной объект изучения в дисциплине «Атомные электростанции» — тепловая (технологическая) схема АЭС. Тепловым схемам вспомогательных систем нормальной эксплуатации и систем безопасности посвящается материал разд. V. Вопросы эксплуатации АЭС и обеспечения ее безопасности затрагиваются лишь в той мере, какая необходима для понимания предназначения рассматриваемых систем и принципов их функционирования. И поскольку речь идет о технологической схеме АЭС как некоем целом, основное внимание в учебном пособии уделено лишь системам, непосредственно связанным с контурами теплоносителей или рабочего тела и оказывающим влияние на их параметры.

В сравнительно небольшой части учебного пособия собран материал, позволяющий освоившим его студентам с пониманием подходить к разработке тепловой схемы, и первой проверкой достижения такого понимания будет выполнение курсового проекта по АЭС. В специальной главе дан «каркас» расчета тепловой схемы: перечислены его этапы и раскрыто их содержание. Помочь студентам в освоении материала учебного пособия призваны включенные в него примеры решения отдельных задач, а также контрольные вопросы, сформулированные в конце каждой главы.

Данное учебное пособие полностью соответствует программе дисциплины «Атомные электростанции», разрабатывавшейся к примерной образовательной программе в рамках проектов новых Государственных образовательных стандартов по подготовке бакалавров и магистров по направлению «Ядерная энергетика и теплофизика». Весной 2010 г. новые ГОСы были утверждены и начали действовать. Материал предлагаемой книги дан несколько шире и глубже, чем предусмотрено рабочей программой дисциплины. Книга является учебным пособием, призванным не только дать требуемый объем знаний, но и позволить любознательным студентам разобраться в ряде дополнительных вопросов.

Автор благодарит преподавателей МЭИ (ТУ) доцентов М.С. Алхутова, В.П. Дик, М.М. Каверзнева, С.Н. Панкратова, Ю.В. Парфенова, профессоров B.C. Охотина, А.Д. Трухния за полезные консультации по материалам некоторых глав учебного пособия. Искреннюю признательность выражает автор также рецензентам профессорам Анатолию Васильевичу Клименко и Алексею Даниловичу Трухнию.

Пожелания и замечания по содержанию книги просьба направлять в Издательский дом МЭИ по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

Автор

12

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

13

Р а з д е л I

ОСНОВЫ АЭС

Открытие электричества по праву называют эпохальным событием в истории человечества. Роль электроэнергии в мире растет как по масштабам, так и по важности. Лишь в начале XX в. появилось электрическое освещение, а сегодня трудно представить жизнь без компьютеров и Интернета. Новые технологии, базирующиеся на использовании электроэнергии, лежат в основе устойчивого экономического прогресса в различных странах мира.

На начало XXI в. в структуре мирового производства электроэнергии на долю тепловых электростанций приходилось примерно 65%, гидроэлектростанций — 20% и атомных электростанций — 15%. В 2000 г. весь мир потреблял примерно 15 000 ТВтæч электроэнергии. По прогнозам к концу XXI века потребление электроэнергии вырастет в 4 раза при росте населения в 2 раза. Электроэнергетика — развивающаяся отрасль, потребности в производстве электроэнергии возрастают. Растут и проблемы отрасли, которые появились еще в конце XX в. Это, в первую очередь, ограниченность невозобновляемых природных энергоресурсов (нефти, газа, угля), на которых базируется не только электроэнергетика, но и другие промышленные отрасли, транспорт. Ограничен и мировой потенциал гидроресурсов. По расчетам специалистов, если использовать все экономически обоснованные гидроресурсы, то к концу XXI в. доля выработки электроэнергии на ГЭС останется на уровне 20 % с учетом роста ее производства. В экономически развитых странах большое внимание уделяется производству электроэнергии на основе возобновляемых природных энергоресурсов с использованием, в первую очередь, энергии ветра и солнца. Так, Европейский союз планирует довести долю возобновляемых энергоресурсов в выработке электроэнергии в ближайшем будущем до 20%.

Что касается ядерной энергетики, то, по мнению специалистов, ее потенциал в общем производстве электроэнергии должен выражаться долей не менее 50%, т.е. атомные электростанции — реальная альтернатива тепловым, сжигающим ископаемое органическое топ-

14

ливо. Однако на пути реализации этого потенциала имеются трудности и проблемы, требующие решения.

В каких же условиях развивается ядерная электроэнергетика, какие требования предъявляются к атомным электростанциям? Ответы на эти и другие вопросы составляют содержание данного раздела, дают основу для изучения дисциплины «Атомные электростанции».

15

Глава 1

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

РАЗВИТИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Энергетика — это область хозяйства страны, включающая в себя энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии.

Ядерная энергетика — это отрасль энергетики, использующая ядерную энергию для электрификации и теплофикации. Ядерная энергетика — это также область науки и техники, в которой разрабатываются методы и средства преобразования ядерной энергии в электрическую и тепловую. Основу ядерной энергетики составляют в настоящее время атомные электростанции, на которых ядерная энергия преобразуется прежде всего в электрическую энергию.

Под первичными энергетическими ресурсами понимают геологические запасы веществ и природные виды энергии, которые могут быть преобразованы в полезную для хозяйства страны энергию.

К основным потребляемым первичным энергетическим ресурсам относятся:

•топливо, которое в свою очередь подразделяется на твердое (уголь, торф, биомасса), жидкое (нефть и газовый конденсат) и газообразное (природные горючие газы);

•атомная (ядерная) и гидравлическая энергия, а также нетрадиционные возобновляемые источники энергии (геотермальная, солнечная, ветровая энергия, биомасса).

Производство первичных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) выражают обычно в тоннах условного топлива (т у.т.). Для топлива коэффициентом пересчета является удельная теплота сгорания условного топлива, равная 29,3 МДж/кг. В производстве первичных ТЭР учитывается только та часть природных видов энергии, которая фактически преобразована в полезную энергию на атомных, гидравлических, геотермальных и других электростанциях. При этом пересчет на условное топливо производится по физическому эквиваленту, т.е. 1 кВтæч = 0,123 кг у.т.

Полезная энергия на атомных электростанциях — это теплота, полученная в ядерном реакторе, на геотермальных электростанциях — теплота, подведенная с геотермальным теплоносителем.

Потребление первичных энергоресурсов каким-либо общественным образованием (страной) оказывается фактором, определяющим уровень жизни его членов (народа). Уровень жизни — это то же

16

самое, что уровень потребления населением материальных и духовных благ, степень удовлетворения потребностей в этих благах.

Уровень жизни отражает благосостояние населения и характеризуется системой количественных и качественных показателей. К ним относятся: объем реальных доходов на душу населения (в СССР

удваивались каждые 15 лет), уровень и структура потребления продовольственных товаров, непродовольственных товаров и услуг, уровень и динамика цен на основные предметы потребления, тарифы коммунальных и транспортных услуг, продолжительность рабочего дня и рабочей недели, жилищные условия, уровень образования и медицинского обслуживания, средняя продолжительность жизни и др. На основе конкретных показателей уровня жизни разработаны различные виды обобщенного показателя, который оказывается прямо пропорциональным потреблению первичных энергоресурсов. Несмотря на то что в ряде стран достигнуты высокие значения удельного (в расчете на каждого жителя) энергопотребления, насыщения обобщенного показателя уровня жизни (отклонения зависимости от линейной) не наблюдается.

Потребление первичных энергоресурсов в различных странах характеризуется данными, приведенными в табл. 1.1.

Кроме климатических особенностей страны, между потреблением энергоресурсов и уровнем жизни присутствуют такие факторы, как технологическое совершенство производства полезных видов энергии и, что более существенно, технологическое совершенство производства различных видов продукции (рассчитываемое как количе-

*

На основе данных из «Энергетической стратегии России на период до 2030 года»,

2009 г.

17

ство потребленных энергоресурсов или полезной энергии на единицу продукции).

Суммарное мировое потребление первичных ТЭР составило в 2008 г. примерно 17,0 млрд т у.т., в том числе на долю атомной энергии приходилось 5,5 %. Наибольшая доля принадлежала нефти — 34,8 %.

Среди полезных видов энергии особое место занимает электрическая энергия. На производство электроэнергии затрачивается около 38 % всех используемых первичных энергоресурсов.

Особая роль электрической энергии в удовлетворении энергетических потребностей и обеспечении научно-технического прогресса человеческого общества обусловлена ее высокими потребительскими качествами. Это такие качества, как простота преобразования в другие формы энергии, способность к передаче на большие расстояния, экологическая чистота, относительная легкость в управлении процессами производства, передачи, распределения и потребления.

Производство и использование электроэнергии являются важной составляющей экономической политики государства, развития экономики и уровня жизни населения (табл. 1.2).

К приведенным данным следует добавить, что на сегодня, по сведениям Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), примерно четвертая часть населения Земли не имеет доступа к электричеству (80 % из них живут в Южной Азии и в странах Африки к югу от Сахары).

Доля ядерной энергетики (ЯЭ) в мировом производстве электроэнергии электростанциями всех типов в настоящее время составляет примерно 13,5 %, в России — 15,7 %.

18

По данным МАГАТЭ, атомные электростанции работают в 30 странах мира. На конец 2011 г. в этих странах насчитывалось 435 атомных энергоблоков в эксплуатации и 63 — в строительстве.

ВРоссии в эксплуатации находятся 33 энергоблока на десяти АЭС (табл. 1.3). Суммарная установленная мощность АЭС составляет 25,3 ГВт. В таблицу не включены остановленные для выполнения работ по выводу из эксплуатации энергоблоки на Белоярской (два) и Нововоронежской (два) АЭС, а также энергоблоки первой в мире АЭС (г. Обнинск), которая к 2005 г. полностью прекратила свою работу. Планируется ввод энергоблоков на Белоярской и Курской АЭС; еще шесть энергоблоков находятся в стадии строительства.

Вкачестве итогов развития ядерной энергетики приведем характеристики, сформулированные Всемирной ядерной ассоциацией (ВЯА).

1.Ядерная энергетика вышла из затянувшегося «отрочества» с его болезнями роста и достигла технологической зрелости. Это означает ее способность в настоящее время поставлять чистую и безопасную энергию во все возрастающих масштабах.

2.На национальном уровне ядерная энергетика способна обеспечить энергетическую безопасность (независимость от зарубежных источников энергии) и охрану окружающей среды. Более того, во многих странах пришли к выводу, что энергетическая безопасность и охрана окружающей среды невозможны без ядерной энергетики.

19

3.В перспективе для удовлетворения мировых потребностей в энергии окажется недостаточно запасов ископаемого топлива, и нужны альтернативные решения. В настоящее время ядерная энергетика — это наиболее реальный вариант решения проблемы.

4.Выявлены и находятся в стадии разработок другие пути применения ядерной энергии, кроме производства электроэнергии. В первую очередь, это обеспечение транспортных средств водородом (производство водорода) и получение чистой питьевой воды посредством опреснения морской воды. И здесь уместно вспомнить об опыте Шевченковской АЭС.

5.Охрана окружающей среды в мировом масштабе оказывается невозможной без широкомасштабного использования ядерной энергии. Имеются оценки, что для предотвращения катастрофического изменения климата на Земле, которое прогнозируется, необходимо до 2050 г. не менее чем в 2 раза сократить выбросы в атмосферу вредных веществ, в первую очередь парниковых газов, в условиях роста населения и развития мировой экономики.

В каких условиях происходит развитие ядерной энергетики? Во-первых, ее перспективы определяются ресурсной базой. Основ-

ным горючим для современной ядерной энергетики является уран. При цене добываемого урана не более 130 долл/кг его запасы во всем мире оцениваются в 12—13 млн т или не более чем на 100 лет при сохранении добычи на уровне 1996 г. В энергетическом эквиваленте это меньше, чем запасы нефти и газа, не говоря уже об угле. Проблема топлива для ядерной энергетики кардинально может быть решена только при использовании реакторов на быстрых нейтронах (быстрых реакторов) с замкнутым топливным циклом, включающим в себя переработку отработавшего ядерного топлива. Заметим, что быстрые реакторы позволяют решать и частные задачи: например, сжигать плутоний и долгоживущие радиоактивные отходы легководных реакторов.

Во-вторых, развитию ядерной энергетики сопутствовали и сопутствуют три проблемы. Это экономичность атомных электростанций, защита населения от возможного радиоактивного воздействия, т.е. необходимость обеспечения высокого уровня безопасности АЭС, и нераспространение ядерного оружия. Согласно исследованиям, проведенным МАГАТЭ, применительно к каждой из этих проблем имеются убедительные решения, которые позволяют рассматривать ядерную энергетику как компонент мировой энергетики будущего.

В-третьих, на развитие ядерной энергетики сильное воздействие оказали аварии на АЭС «Три майл айленд» (Three Mile Island — ТMI, США, 1979 г.) и особенно на Чернобыльской АЭС (1986 г.).

Темпы ввода мощностей и производство электроэнергии на АЭС показаны на рис. 1.1 [2, 2008, март]. Можно выделить следующие периоды в развитии ядерной энергетики:

20