Работа ядерного реактора на атомной станции подразумевает жесткие условия, такие как высокие температуры, давление и радиация. Механизмы и материалы, используемые в реакторах, разрабатываются с учетом этих факторов. Сегодня расскажем об их особенностях.
На страже атомного спокойствия: системы безопасности в действии
На сегодня 31 страна использует 192 атомные электростанции для производства энергии при помощи 438 энергоблоков. Лидирующие позиции занимают США, за ними следуют Франция и Япония. Атомные электростанции в мире производят 391 878 мегаватт электроэнергии. Есть среди них и старожилы. Например, реактор на АЭС «Олкилуото» в Финляндии, запущенный в 1978 году. Будучи одним из старейших действующих реакторов в мире, он прошел множество модернизаций и продолжает успешно работать.
Во время модернизации реакторов АЭС обычно проводится замена устаревших систем и компонентов, таких как насосы, турбины, системы управления и безопасности, охлаждения, контроля и автоматизации на более современные и эффективные, внедряются новые технологии и методы защиты станции, оптимизируются топливные циклы. Оставаться в форме долгие годы и даже десятилетия реакторам АЭС помогают не только модернизации, но и грамотный подбор материалов на этапе строительства, а также защитные конструкции.
Защита от радиации
Механизмы и электронику на станции защищают от радиации при помощи свинцовых экранов или специальных защитных оболочек, которые уменьшают воздействие ионизирующего излучения. Части реактора АЭС — при помощи циркония.
Он часто используется для защиты топливных стержней (ТВЭЛ). Имеет низкое сечение захвата нейтронов, что делает его подходящим для использования в качестве оболочки. Это позволяет нейтронам, необходимым для поддержания цепной реакции, проходить через оболочку без значительных потерь. Цирконий устойчив к коррозии в условиях высоких температур и агрессивной среды, что делает его идеальным материалом для реакторов АЭС. Его структура достаточно устойчива к радиационным повреждениям. Кроме того, в реакторах используются специальные сплавы и легированные формы циркония, которые еще более устойчивы к радиации. Цирконий имеет высокую температуру плавления (около 1855°C), что также способствует его устойчивости в условиях высоких температур. Он обладает хорошими теплопроводными свойствами, что позволяет эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе ядерной реакции. Это помогает поддерживать температуру в реакторе на безопасном уровне и предотвращает перегревание топливных стержней.
Защита от перегрева
Системы охлаждения обеспечивают отвод тепла от активной зоны реактора и предотвращают перегрев и повреждение оборудования. Охлаждающая жидкость (например, вода) циркулирует вокруг топливных стержней, поглощая тепло, выделяющееся в результате ядерной реакции. Это позволяет поддерживать температуру на безопасном уровне и передавать тепло для производства пара и вращения турбины.
Охлаждение реактора водой под давлением происходит благодаря тому, что вода в системе охлаждения находится под высоким давлением (обычно около 15−20 МПа), что повышает ее температуру кипения. При таком давлении вода может оставаться в жидком состоянии при температурах выше 100°C.
Если одна система охлаждения выходит из строя, вторая может включиться автоматически, чтобы предотвратить перегрев ядерного топлива. Важные механизмы часто дублируются, чтобы в случае отказа одной системы другая могла взять на себя ее функции. Так резервные источники питания активируются в случае отключения основного электроснабжения. Это повышает надежность реактора.
Даже если реактор на станции вдруг выйдет из-под контроля, у него есть тепловая инерция, что означает, что он не нагревается мгновенно до критических температур. Это дает время для активации систем безопасности. Также существуют системы пассивного охлаждения, которые могут работать даже без электроэнергии, используя принципы естественной конвекции. В случае аварии на АЭС предусмотрены системы, которые автоматически отключают реактор и обеспечивают его охлаждение. А еще есть ловушка расплава. Она удержит расплавленное ядерное топливо и другие материалы, образующиеся в результате ядерного деления, если реактор выйдет из строя. Ей не страшны ни землетрясения, ни цунами, ни ураганы.
Защита от высокого давления
Высокое давление может возникнуть в результате перегрева активной зоны или нарушения работы систем охлаждения. В реакторах предусмотрены специальные клапаны, которые могут автоматически открываться в случае превышения предельно допустимого давления. Эти клапаны сбрасывают избыточное давление в безопасные резервуары или атмосферу, предотвращая повреждение оборудования.
Кроме того, ядерные реакторы на станциях обычно находятся в защищенных зданиях (гермообъемах или контайнментах), которые могут выдерживать высокие давления и температуры. Они созданы из прочных материалов и имеют несколько уровней защиты, что позволяет минимизировать риск утечек радиации.
Если остановятся насосы
Насосы используются для циркуляции охлаждающей жидкости и отведения тепла. Если они останавливаются, температура в активной зоне начинает расти, что может привести к перегреву топлива. Но даже если насосы остановлены, по законам тепломассообмена движение воды в тепловом контуре на какое-то время еще продолжится за счет разниц температур. Кроме того, в случае остановки насосов могут активироваться резервные системы охлаждения, которые подают воду в активную зону реактора. А в случае отключения реактора система способна справиться с остаточным теплом самостоятельно.
Защита по-русски
За последние 30 лет значительно изменились методы обеспечения безопасности в производстве электроэнергии. Если в 1992 году было зарегистрировано 197 нарушений, то к 2021 году их число сократилось до 34. Высокий уровень безопасности атомных электростанций в России обусловлен системой самозащиты современных реакторных установок.
Принцип защиты атомной электростанции очень похож на обыкновенную русскую матрешку. Топливная таблетка устроена таким образом, чтобы не допустить выхода радиации за пределы ее оболочки. Если же это произойдет, радиацию остановит циркониевая оболочка тепловыделяющего элемента, в котором находятся топливные таблетки. Если и этого окажется недостаточно, радиацию задержит корпус реактора и главный циркуляционный контур. И уж, если представить совсем драматический сценарий, с разрывом главного циркуляционного трубопровода или корпуса реактора, то на защиту окружающей среды и человека от радиации встанет контайнмент, или здание реактора, в котором и находятся и топливные таблетки, и тепловыделяющие элементы, и реактор.
Контайнмент выдерживает землетрясения, падение самолета, удары волн, а также внутреннее давление от потенциального взрыва реактора на станции. Оболочка выполнена из «предварительно напряженного бетона»: металлические тросы, натянутые внутри бетонной оболочки, придают дополнительную монолитность конструкции, повышая ее устойчивость. В случае аварии для снижения давления пара внутри защитной оболочки установлена «спринклерная система», которая из-под купола блока разбрызгивает раствор бора и других веществ, препятствующих распространению радиоактивности. Там же ставятся рекомбинаторы водорода, не позволяющие этому газу скапливаться и исключающие возможность взрыва. На практике это выглядит так:
В настоящее время ведутся исследования в области еще более безопасных и эффективных реакторов четвертого поколения, которые смогут использовать отработанное ядерное топливо и сделают работу АЭС еще более экологичной. Ранее мы рассказывали о том, как устроен ядерный реактор.