Використання ядерної енергії на АЕС стало можливим завдяки відкриттю реакції поділу ядер важких елементів під впливом нейтронів і створення ядерних реакторів для здійснення керованої ядерної ланцюгової реакції. Ядерна енергетика здійснює перетворення ядерної енергії в інші види - теплову, електричну, механічну і ін.
У більшості країн світу експлуатуються переважно енергетичні реактори на теплових нейтронах з слабо збагаченим або природним ураном, водо-водяного типу, в яких вода використовується як теплоносій і сповільнювач. На їх частку припадає 75% парку реакторів, в тому числі 55% становлять реактори типу "з водою під тиском", до числа яких належить МРЕВ-1000 (рис. 2.3).
Мал. 2.3. Водо-водяний реактор В ВЕР - 1000:
1 - знімна кришка корпусу; 2 - напрямні труби для органів і приводів СУЗ; 3 - циліндр; 4,5 - роз'єднувальна обичайка; 6 - патрубок входу теплоносія 7 - притискаючи плита; 8 - обмежує пояс; 9 - корпус реактора; 10 - касети з твелами; 11 - корзина активної зони; 12 - тепловий захист корпусу; 13 - опорна плита (для касет) 14 - теплоізоляція; 15 - тепловий захист; 16 - кронштейни і ферма для підтримки корпусу; 17 - штанга приводу органів СУЗ; 18 кільцевої ущільнювач і компенсуючий лист; 19 - обмуровка приміщення; 20 - чохли для приводів органів СУЗ; 21-вхід охолоджуючого повітря; 22 - вихід охолоджуючого повітря.
Основна частина ядерного реактора - активна зона, в якій протікає ланцюгова реакція поділу ядерного палива у вигляді тепловиділяючих елементів (ТВЕЛів). Діаметр ТВЕЛу - 9,1 мм, діаметр паливних таблеток (спечений порошок UO2) - 7,53 мм, маса завантаження двоокису урану в ТВЕЛ становить 1565 р ТВЕЛи об'єднуються в тепловиділяючі касети, що містять 317 ТВЕЛі в і 12 напрямних стрижнів управління. Кількість касет в активній зоні - 163, з них з регулюючими стрижнями - 61. Заміну касет, які вигоріли, роблять на зупиненому реакторі. Щорічно роблять вивантаження близько 33% робочих касет і підкачки того ж кількості палива.
На рис. 2.4. зображена схема і принцип роботи атомної електростанції на теплових нейтронах з використанням сповільнювач і теплоносія (звичайної води) в так званому первинному контурі.
Мал. 2.4. Схема атомної електростанції на теплових нейтронах:
1 - стрижні (трубки) 2 - вода; 3 - регулювальні стрижні; 4 - змійовик-нагрівач; 5 - паропровід робочої пари; 6 -турбіна; 7 - генератор електричного струму; 8 - градирня; 9 - паропровід відпрацьованої пари; 10 - конденсатор; 11 - бетонний кожух.
Активну зону реактора складають стрижні (трубки) 1 з ядерним паливом у вигляді ТВЕЛів і регулювальні стрижні С (кадмій, бор). Ці стрижні омиваються водою 2 (під великим тиском при температурі до 300 ° С), яка є, як зазначалося вище, одночасно і сповільнювачем нейтронів, і теплоносієм. Ця вода створює перший замкнутий контур: активна зона - змійовик-нагрівач 3. Вона радіоактивне, тієї частини реактора і нагревов обмежені бетонним кожухом 11 який захищає навколишнє середовище від шкідливого впливу радіоактивного випромінювання активної зони.
Другий водяний контур (захищений від радіоактивних елементів) складають вода нагревов 3. паропровід 5 і конденсатор 10. Це ще один замкнутий контур. Вода цього контуру, нагріта до високої температури під великим тиском в нагревов, перетворюється на пару і через паропровід направляється на турбіну б, що пускає в хід генератор електричного струму 7. Таким чином, ядерна енергія перетворюється спочатку у внутрішню енергію пара, яка виконує механічну роботу . обертаючи ротор електричного генератора, а в кінцевому підсумку - в енергію електричного струму. Відпрацьований пар від турбіни надходить в конденсатор, який через один контур пов'язаний з відкритою водоймою і градирнею 8. Для зниження радіації до безпечного рівня та створення нормальних умов праці реактор екранують біологічним екраном, до складу якого входить сповільнювач "швидких" нейтронів. Це може бути вода, свинець, залізо або бетон, який містить залізну руду.
Атомна енергетика - це не тільки атомні електростанції, але і комплекс підприємств, які необхідні для забезпечення їх паливом. Це рудники, де видобувають уранову руду, заводи її збагачення і видалення оксиду урану, підприємства, на яких концентрують ізотопи урану і створюють тепловиділяючі елементи. Після того як ці елементи будуть використані на АЕС, їх транспортують на завод, де з відпрацьованого палива відокремлюють продукти ділення і невикористане паливо. Цей цикл закінчується поховання залишків поділу та інших радіоактивних елементів.
Сьогодні на основі досліджень стала реальною завдання комплексного використання атомних станцій для виробництва електричної та теплової енергії. Тому їх розташовують поблизу міст і промислових комплексів. Оскільки для АЕС практично не існує проблеми транспортування палива, то і розташувати їх можна в районах з напруженим паливно-енергетичним балансом. Єдиним істотним умовою є необхідність їх спорудження у водних джерел для забезпечення охолодження реакторів.
Гідроенергетика має дуже важливе значення для стабільного функціонування українського енергетичного сектора - тільки ГЕС і ГАЕС (гідроакумулюючі електростанції) забезпечують покриття пікових навантажень і автоматичне регулювання частоти і потужності в Об'єднаній енергетичній системі України (рис. 2.5).
Мал. 2.5. Загальний вигляд гідроелектростанції:
1 - вода (надходить з водосховища) 2 -лопаті турбіни; 3 - електрогенератор; 4 - електромережу змінного струму; 5 - надлишкова вода; 6 - гідротурбіна; 7 - шлюзові ворота; 8 - гребля; 9 - водозлив.
З огляду на значний термін експлуатації діючих ГЕС (Дніпрогес - 70, інші - 40-50 років), питання підвищення надійності та ефективності використання встановленого обладнання набуває першочергового значення.
Рушійною силою в гідроелектростанції є потік річкової води, який приводить в дію гідротурбіну поєднану з електрогенератором (рис.2.6).
На деяких гідростанціях використовують метод наливної водосховища, або гідроакумуляціі. Протягом дня вода переходить з вищого рівня водойми на нижче, обертаючи гідротурбіни. Вночі, коли споживання енергії незначне, насоси, на які подається надлишкова енергія з гідроелектростанції, перекачують воду з нижнього рівня на більш високий. Надлишок води спускають через водозлив.
Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС) включаються в регіональну енергомережу з іншими електростанціями і виконують роль демпфера - самі споживають електроенергію, коли вона в надлишку, і повертають в мережу, коли її недостатньо. Електричні машини гідроакумулюючих станцій можуть працювати як насоси, коли качають воду у верхнє водосховище, і як гідротурбіни електрогенератора, коли вода з верхнього водоймища перетікає в нижній. Першу в СРСР гідроакумулююча електростанція був побудований в 1971 році на правому березі Київського моря. її потужність - 225 МВт, напір - 65 м, довжина водосховища - 275 м.
Мал. 2.6. гідротурбіна:
1 - вал турбіни; 2 - ротор генератора; 3 - спіральний трубопровід; 4 - лопаті; 5 - потік води.