В активну зону реактора завантажено тепловиділяючі збірки, що складаються з пучка цирконієвих тепловиділяючих елементів (ТВЕЛів), заповнених таблетками двоокису урану.
Тепловиділяючих збірок реактора АЕС в натуральну величину
Поділ ядер урану всередині атомного реактора
Ядра урану діляться з утворенням нейтронів (2 або 3 нейтрона), які, потрапляючи в інші ядра, також можуть викликати їх розподіл. Так виникає ланцюгова ядерна реакція. При цьому відношення числа нейтронів, що утворилися до числа нейтронів на попередньому кроці ділення називається коефіцієнтом розмноження нейтронів k. якщо k<1, реакция затухает. При к=1 идёт самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Когда k>1, реакція прискорюється, аж до ядерного вибуху. В ядерних реакторах підтримується керована ланцюгова ядерна реакція, утримуючи k близькою до одиниці.
Як виробляється електроенергія на АЕС
В ході протікання ланцюгової реакції виділяється велика кількість енергії у вигляді тепла, яке нагріває теплоносій першого контуру - воду. Вода подається знизу в активну зону реактора за допомогою головних циркуляційних насосів (ГЦН). Нагріваючись до температури 322 ° С вода надходить в парогенератор (теплообмінник), де, пройшовши по тисячам теплообмінних трубок і віддавши частину тепла воді другого контуру, знову надходить в активну зону.
Так як тиск другого контуру нижче, вода в парогенераторі закипає, утворюючи пар з температурою 274 ° С, який надходить на турбіну. Поступаючи в циліндр високого тиску, а потім в три циліндра низького тиску, пар розкручує турбіну, яка, в свою чергу, обертає генератор, виробляючи електрику. Відпрацьований пар надходить в конденсатор, в якому він конденсується за допомогою холодної води зі ставка-охолоджувача або градирні і знову повертається в парогенератор за допомогою живильних насосів.
Турбінне відділення АЕС і сама турбіна
Така складна двоконтурна система створена для того, щоб захистити обладнання АЕС (турбіна, конденсатор), а також навколишнє середовище від попадання радіоактивних частинок з першого контуру, поява яких можливо через корозію обладнання, наведеної радіоактивності, а також розгерметизації оболонок ТВЕЛів.
Навколо атомної станції організується зона спостереження (та сама тридцатикилометровая зона), в якій ведеться постійний моніторинг радіаційної обстановки. Також існує санітарно-захисна зона радіусом 3 км (залежить від проектної потужності АЕС), в якій заборонено проживання людей, а також обмежена сільськогосподарська діяльність.
Гарячі точки атомної електростанції
Внутрішня територія АЕС розділена на дві зони: зона вільного доступу (чиста зона), де вплив радіаційних факторів на персонал практично виключено, і зону контрольованого доступу (ЗКД), де можливий вплив радіації на персонал.
Доступ в ЗКД дозволений далеко не всім і можливий тільки через приміщення санпропускника, після процедури переодягання в спец. одяг і отримання індивідуального дозиметра. Доступ в гермооболонку, в якій розташовані сам реактор і устаткування першого контуру, при роботі реактора на потужності взагалі заборонений і можливий лише у виняткових випадках. Отримувані дози працівників АЕС строго фіксуються і нормуються, хоча фактичне опромінення при нормальній роботі реактора в сотні разів менше граничних доз.
Викиди в атмосферу через трубу АЕС
Напевно, найбільше число чуток і домислів ходять навколо викидів атомних станцій. Викиди дійсно є і відбуваються вони, в основному, через вентиляційні труби - це ті самі труби, які стоять біля кожного енергоблоку та ніколи не димлять. Здебільшого, в атмосферу потрапляють інертні радіоактивні гази - ксенон, криптон і аргон.
Але перед скиданням в атмосферу повітря з приміщень АЕС проходить систему складних фільтрів, де видаляється велика частина радіонуклідів. Короткоживучі ізотопи розпадаються ще до того, як гази досягнутий верху труби, ще більше знижуючи радіоактивність. У підсумку, внесок в природний радіаційний фон газоаерозольних викидів АЕС в атмосферу незначний і їм взагалі можна знехтувати. Тому атомна енергія є однією з найчистіших, в порівнянні з іншими електростанціями. У будь-якому випадку, всі радіоактивні викиди атомних станцій строго контролюються екологами і розробляються способи подальшого їх зниження.
Безпека атомної електростанції
Всі системи атомної станції проектуються і працюють з урахуванням численних принципів безпеки. Наприклад, концепція глибоко ешелонованої захисту передбачає наявність декількох бар'єрів на шляху поширення іонізуючого випромінювання і радіоактивних речовин у навколишнє середовище. Дуже схоже на принцип Кащея Безсмертного: паливо згруповано в таблетки, які знаходяться в цирконієвих ТВЕЛах, які поміщені в сталевий корпус реактора, який поміщений в залізобетонну гермооболонку. Таким чином, руйнування одного з бар'єрів компенсується наступним. Робиться все, щоб за будь-якої аварії радіоактивні речовини не вийшли за межі зони контрольованого доступу.
Теплова енергія на ТЕС використовується для нагріву води та отримання пара (на паротурбінних електростанціях) або для отримання гарячих газів (на газотурбінних).
Принцип роботи простий.
Для отримання тепла органічне паливо спалюють у камері згоряння в котлоагрегатах ТЕС з виділенням великої кількості тепла перетворює воду, яка циркулює в трубах в пар. В якості палива використовується вугілля, торф, природний газ, мазут, горючі сланці.
На теплових паротурбінних електростанціях (ТПЕС) отримується в парогенераторі (котлоагрегате) пар приводить в обертання роторпаровой турбіни. з'єднаний з валом електричного генератора. Після проходження через турбіну пар конденсується і знову трансформується в воду, яка потрапляє в паровий котел.
Парові турбіни ТЕС з'єднують з електрогенераторами зазвичай безпосередньо, без проміжних передач, утворюючи турбоагрегат. Крім того, як правило, турбоагрегат об'єднують з парогенератором в єдиний енергоблок, з них потім компонують потужні ТПЕС.
Малюнок 1. Схема конденсаційної електростанції.
1 - котел (паровий котел);
2 - парова турбіна;
3 - конденсатор;
4 - насоси;
5 - конденсаційний бак;
6 - градирня;
7 - турбогенератор;
8 - розподільний пристрій
Пріннціпи роботи ГЕС
Принцип роботи ГЕС сьогодні не набагато складніше того, за яким працював перша станція. Завдяки ланцюга гідротехнічних споруд забезпечується натиск води необхідної сили, який вступаючи на лопаті турбін, пускає в хід генератори. Тільки сьогодні для ГЕС зовсім немає необхідності використовувати Ніагарський водоспад. Гідроелектростанція своїми руками так само може виробляти потрібну кількість енергії. Необхідну силу напору домагаються за допомогою зведення ряду гребель. Відзначимо, що в гідроелектростанціях застосовують різні типи турбін. Основний фактор, який впливає на вибір - сила напору.
Все енергетичне обладнання знаходиться в самій будівлі ГЕС. Крім машинного відділення, в якому розташовані всі гідроагрегати, є відділи, які містять додаткове обладнання, трансформаторну станцію, пристрої контролю та управління роботою ГЕС та ін.
Варто зазначити, що основна цінність ГЕС полягає в тому, що для отримання електроенергії використовується поновлюваний ресурс - вода. Таким чином, одержувана електроенергія має нижчу вартість, в порівнянні з іншими типами електростанцій.
Принцип роботи електродвигуна
Електродвигуни - це пристрої, в яких електрична енергія перетворюється в механічну. В основі принципу їх дії лежить явище електромагнітної індукції
В основу роботи будь-якої електричної машини покладено принцип електромагнітної індукції. Електрична машина складається з нерухомої частини -статора (для асинхронних і синхронних машин змінного струму) або індуктора (для машин постійного струму) і рухомої частини - ротора (для асинхронних і синхронних машин змінного струму) або якоря (для машин постійного струму). У ролі індуктора на малопотужних двигунах постійного струму дуже часто використовуються постійні магніти.
Якір - це рухома частина машин постійного струму (двигуна або генератора) або ж працює за цим же принципом так званого універсального двигуна (який використовується в інструменті). По суті універсальний двигун - це той же двигун постійного струму (ДПТ) з послідовним збудженням (обмотки якоря і індуктора включені послідовно). Відмінність тільки в розрахунках обмоток. На постійному струмі відсутня реактивне (індуктивне або ємкісне) опір. Тому будь-яка «болгарка», якщо з неї витягти електронний блок, буде цілком працездатна і на постійному струмі, але при меншій напрузі мережі.
Принцип дії трифазного асинхронного електродвигуна [
При включенні в мережу в статорі виникає круговий обертове магнітне поле, яке пронизує короткозамкненим обмотку ротора і наводить у ній струм індукції. Звідси, дотримуючись закону Ампера (на провідник зі струмом, поміщений в магнітне поле, діє ЕРС), ротор приходить в обертання. Частота обертання ротора залежить від частоти напруги живлення і від числа пар магнітних полюсів.
Різниця між частотою обертання магнітного поля статора і частотою обертання ротора характеризується cкольженіем. Двигун називається асинхронним, так як частота обертання магнітного поля статора не збігається з частотою обертання ротора.
Синхронний двигун має відмінність у конструкції ротора. Ротор виконується або постійним магнітом, або електромагнітом, або має в собі частину білячої клітини (для запуску) і постійні або електромагніти. У синхронному двигуні частота обертання магнітного поля статора і частота обертання ротора збігаються. Для запуску використовують допоміжні асинхронні електродвигуни, або ротор з короткозамкненою обмоткою.
Асинхронні двигуни знайшли широке застосування у всіх галузях техніки. Особливо це стосується простих по конструкції і міцних трифазних асинхронних двигунів з коротко-замкнутими роторами, які надійніше і дешевше всіх електричних двигунів і практично не вимагають ніякого відходу. Назва «асинхронний» обумовлено тим, що в такому двигуні ротор обертається не синхронно з обертовим полем статора. Там, де немає трифазної мережі, асинхронний двигун може включатися в мережу однофазного струму.
Статор асинхронного електродвигуна полягає, як і в синхронній машині, з пакета, набраного з лакованих листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм, в пазах якого покладена обмотка. Три фази обмотки статора асинхронного трифазного двигуна, просторово зміщені на 120 °, з'єднуються один з одним зіркою або трикутником.
Мал. 1 Трифазний двополюсний асинхронний двигун.
На рис.1. показана принципова схема двополюсної машини - по чотири паза на кожну фазу. При живленні обмоток статора від трифазної мережі виходить обертове поле, так як струми в фазах обмотки, які зміщені в просторі на 120 ° один щодо одного зрушені по фазі один відносно одного на 120 °.
Для синхронної частоти обертання nc поля електродвигуна з р парами полюсів справедливо при частоті струму.
При частоті 50 Гц отримуємо для = 1, 2, 3 (двох-, чотирьох- і шести-полюсних машин) синхронні частоти обертання поля = 3000, 1500 і 1000 об / хв.
Ротор асинхронного електродвигуна також складається з листів електротехнічної сталі і може бути виконаний у вигляді короткозамкнутого ротора (з «білячою кліткою») або ротора з контактними кільцями (фазний ротор).
У короткозамкненим роторі обмотка складається з металевих стрижнів (мідь, бронза або алюміній), які розташовані в пазах і з'єднуються на кінцях закорачивается кільцями (рис. 1). З'єднання здійснюється методом пайки м'яким і твердим припоєм або зварюванням. У разі застосування алюмінію або алюмінієвих сплавів стрижні ротора і закорачивающие кільця, включаючи лопаті вентилятора, розташовані на них, виготовляються методом лиття під тиском.
У ротора електродвигуна з контактними кільцями в пазах знаходиться трифазна обмотка, схожа на обмотку статора, включену, наприклад, зіркою; початку фаз з'єднуються з трьома контактними кільцями, закріпленими на валу. При пуску двигуна і для регулювання частоти обертання можна підключити до фаз обмотки ротора реостати (через контактні кільця і щітки). Після успішного розбігу контактні кільця замикаються накоротко, так що обмотка ротора двигуна виконує ті ж самі функції, що і в разі короткозамкнутого ротора.
Принцип роботи холодильних установок