Мед изделия и полотенца бумажные одноразовые купить в наличии и со скидкой.

Атомные станции с реакторами РБМК 1000 (1500). Реактор большой мощности канальный

Атомные станции с реакторами РБМК 1000

Тепловой контур.

Основные понятия
Ранее мы рассмотрели виды энергии и возможности её преобразования из одного вида в другой, остановимся подробнее на тепловой энергии, поскольку она играет очень важную роль в процессах происходящих на АЭС.
Как было сказано ранее, тепловая энергия, это энергия хаотического движения молекул или атомов в жидкостях и газах и колебательного движения молекул или атомов в твердом теле. Чем выше скорость этого движения тем большей тепловой энергией обладает тело.
Все мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни с процессами передачи тепловой энергии от одного тела к другому, (горячий чай нагревает стакан, радиатор отопления в квартире нагревает воздух и т. д.) исходя из определения тепловой энергии можно дать определение теплообмену.
Определение:Процесс передачи энергии в результате обмена хаотическим движением молекул, атомов или микрочастиц называется теплообменом.
Из житейского опыта известно, что тепловая энергия или тепло передается от более горячего тела к более холодному, и кажется вполне логичным принять за меру тепловой энергии температуру, однако это грубейшая ошибка. Температура тела является мерой способности к теплообмену с окружающими телами. Зная температуры двух тел мы можем сказать только о направлении теплообмена. Тело с большей температурой будет отдавать тепло и остывать, а тело с меньшей температурой принимать тепло и нагреваться, однако количество передаваемой энергии определить, исходя только из температуры, невозможно. За примером далеко ходить не надо: попробуйте налить равное количество кипятка в алюминиевую кружку и керамическую. Алюминий практически мгновенно нагреется, почти не остудив воду, а керамика будет нагреваться гораздо меньше и значительно дольше, а изначальная температура кипятка и в том и другом случае 100° С. Отсюда следует вывод: для нагрева на одинаковую температуры различных веществ необходимо различное количество тепловой энергии, каждое вещество обладает своей теплоемкостью
Определение: удельной теплоемкостью вещества называется количество энергии необходимое для нагрева одного килограмма данного вещества на один градус.

где: Q-энергия; С -теплоемкость; m -масса; dT-подогрев;

Способы теплообмена.
Как правило в промышленных энергоустановках процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит в одном месте (котел для ТЭС, реактор для АЭС), а процесс преобразования тепловой энергии в механическую и далее в электрическую в другом, следовательно возникает проблема перемещения тепловой энергии в пространстве. Как можно передать тепловую энергию из одной точки пространства в другую?

Теплопроводность
Нагревая один конец металлической проволоки можно заметить, что температура повышается по всей длине, причем чем короче проволока, тем быстрее нагреется противоположная, не нагреваемая напрямую, часть. Нагревая проволоку с одной стороны мы заставляем атомы и электроны в месте нагрева колебаться сильнее, колеблющиеся атомы и электроны вовлекают в колебание соседние атомы и электроны, происходит распространение тепловой энергии в твердом теле, в нашем случае в металлической проволоке. Такой способ передачи тепловой энергии называется теплопроводностью.
Определение: Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты в сплошной среде посредством хаотического движения микро частиц.
Количество теплоты передаваемое за счет теплопроводности зависит от физических свойств среды в которой происходит теплообмен. Каждое вещество обладает своим коэффициентом теплопроводности l (Металлический прут длинной около метра помещенный одним концом в огонь, невозможно будет удержать в голых руках, деревянная палка такой же формы сгорит больше чем на половину, прежде чем сколь нибудь значительно нагреется ).
Чем больше разность температур dT между горячей и холодной точкой среды, тем большее количество тепла передается, в единицу времени. Чем больше площадь поперечного сечения тем большее количество тепла передается, в единицу времени.
Наверное каждый знает как вскипятить воду с помощью костра в деревянной посуде. Нужно бросать в воду раскаленные в огне камни. Нагретые камни сразу смачиваются водой и отдают ей свою теплоту. Процесс передачи тепла от камней к окружающей их воде похож на теплопроводность, но распределение тепловой энергии по объему воды носит другой характер.

Конвективный теплообмен
Рассмотрим, что происходит в объеме холодной воды когда горячие камни нагревают ее часть вокруг себя. Из физики известно, что тела нагреваясь расширяются, другими словам увеличивают свой объем, а поскольку масса остается постоянной, плотность снижается. Как гласит закон Архимеда тело с плотностью большей чем плотность жидкости погружается, а с меньшей всплывает. Тоже самое
можно сказать о нагретой жидкости, обладая меньшей плотностью, она начнет подниматься перемешиваясь с холодными слоями в верхней части сосуда, которые, в свою очередь, начнут опускаться, через некоторое время температура по всему объему станет одинаковой.
Определение: Конвективный теплообмен - перенос теплоты при перемешивании более нагретых частиц среды с менее нагретыми.
В примере, приведенном выше, движения было вызвано разностью плотностей горячих и холодных частей жидкости такая конвекция называется естественной или свободной. Если движение вызвано работой насоса или вентилятора, то конвекция называется вынужденной.
Конвективный теплообмен происходит в газах так же, как и в жидкостях.
Во многих современных АЭС отвод теплоты из реактора происходит путем принудительной прокачки воды, газа или жидкого металла через активную зону. Вещество, которое нагреваясь забирает теплоту от источника называется теплоносителем.

Теплообмен излучением
Опыты показывают, что теплообмен между телами возможен даже если они находятся в вакууме не соприкасаясь друг с другом. В этом случае виды теплообмена описанные выше не могут осуществляться. Как же происходит передача тепловой энергии в данном случае?
Нагретое тело испускает электромагнитные волны которые как известно могут распространятся в безвоздушном пространстве менее нагретое тело поглощает эти волны и нагревается.
Определение: Теплообмен излучением - это передача тепловой энергии с помощью электромагнитных волн.
В современных АЭС при нормальной работе теплообмен излучением пренебрежимо мал по сравнению с конвективным.

Тепловой контур
Рассмотрев способы возможные теплообмена, вернемся к вопросу о передаче тепловой энергии в условиях АЭС или ТЭС. Как известно, на работающих станциях процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит непрерывно и в случае прекращения теплоотвода произойдет неизбежный перегрев установки. Следовательно на ряду с источником необходим потребитель тепловой энергии, который будет забирать тепло и либо преобразовывать его в другие формы энергии либо передавать его в другие системы. Передачу тепла от источника к потребителю осуществляется с помощью теплоносителя. На основании выше сказанного можно изобразить простейший тепловой контур, содержащий источник энергии, потребитель энергии, и тракты теплоносителя.

Простейшая схема теплового контура.

тепловой контур

Рассмотрим работу теплового контура для случая, когда теплоноситель не меняет своего фазового состояния (не испаряется).
Холодный теплоноситель поступает в устройство, являющиеся источником тепловой энергии для контура (реактор АЭС, котел ТЭС), в нем он нагревается, забирая тепловую энергию. Горячий теплоноситель подается в потребитель тепловой энергии, на выходе из которого, мы вновь имеем холодный теплоноситель.
Расход теплоносителя g [кг/сек] , теплоемкость теплоносителя С (Дж/(кг град)), температура на входе в источник T1[град] на выходе из источника T2 [град] и мощность источника Q [Вт] связанны соотношением:

В некоторых случаях температура теплоносителя на входе в источник и выходе из источника может быть одинакова. Например, в случае если в источнике тепловой энергии происходит кипение теплоносителя, как известно температура кипящей воды остается постоянной. Теплота отводится за счет изменения фазового состояния теплоносителя.
Определение:Удельной теплотой парообразования вещества называется количество теплоты необходимое для того, чтобы перевести один килограмм данного вещества из жидкого состояния в газообразное.
Размерность [Дж/кг]
Если R - удельная теплота парообразования теплоносителя то мощность источника Q [Вт] расход теплоносителя g [кг/сек] и паросодержание p на выходе из источника тепловой энергии связанны соотношением:

Далее мы рассмотрим понятие теплового контура применительно к реактору РБМК-1000.

Упрощенная принципиальная тепловая схема AЭС с реактором типа РБМК-1000
Выше мы рассмотрели простейший тепловой контур, рассмотрим работу реакторной установки РБМК-1000 используя определения и понятия введенные ранее. Реакторная установка РБМК- 1000 является одноконтурной по теплоносителю, поскольку вода пройдя реактор, нагревшись и частично испарившись, в виде пара поступает в турбину и совершив работу снова возвращается в реактор. Но в тепловой схеме можно выделить два тепловых контура, со своими источниками и потребителями тепловой энергии.

Контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ)
Источником тепловой энергии, как и на всех АЭС, является активная зона реактора. В качестве теплоносителя используется вода, которая проходя через активную зону реактора частично испаряется. На выходе из реактора вода содержит в среднем 15% пара (паросодержание p = 0.15). Давление воды в трактах теплоносителя 0.7 МПа (около 70 атм.) при таком давлении температура кипения воды 284 ° С. Пароводяная смесь из реактора направляется в барабан сепаратор, который в тепловом контуре, выполняет роль потребителя тепловой энергии. В барабане сепараторе из пароводяной смеси забирается пар и добавляется питательная вода, на выходе из барабана сепаратора мы получаем воду в качестве "холодного" теплоносителя,причем температура практически остается такой же.
В качестве способа теплообмена используется вынужденная конвекция, другими словами используется насос для прокачки теплоносителя через активную зону реактора.
На основании выше сказанного можно изобразить тепловую схему, для контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) реактора РБМК-1000
принудительная циркуляция РБМК 1000
ГЦН- главный циркуляционный насос.
Даже такая простая схема позволяет сделать прикидочный расчет. По известной тепловой мощности реактора, и паросодержанию на выходе из реактора можно определить необходимый расход воды через реактор.
Тепловая мощность реактора Q = 3200 МВт = 3200 x 106 Вт;
Удельная теплота парообразования R = 1556 кДж/кг = 1556x 103 Дж/кг;
Паросодержание на выходе из реактора р = 0.15
Q = R x p x  m  
m = Q/( R x p) = 3200ґ 106 / (1556 x 10 x 0.15) = 13710 кг/сек

Второй тепловой контур.
Рассмотрим второй тепловой контур. Барабан сепаратор, забирая тепловую энергию вместе с паром из первого контура, где он является потребителем, отдает ее во второй контур. Следовательно он является источником тепловой энергии для второго теплового контура.
"Горячим" теплоносителем является пар, отделенный от пароводяной смеси в барабане сепараторе. Температура пара около 284 ° С давление Р = 7 МПа.
После барабана сепаратора, пар поступает в турбину, где он вращает ротор (происходит преобразование тепловой энергии в механическую), турбина является потребителем тепловой энергии. С ротором турбины жестко связан ротор электрического генератора, вырабатывающий электроэнергию. Параметры пара на выходе из турбины: температура - 30 ° С, давление P - 0.004 МПа. После турбины пар необходимо перевести в жидкое состояние, то есть превратить воду, этот процесс происходит в конденсаторе. Пар в конденсаторе предает свою тепловую энергию воде, которая поступает из пруда охладителя, конденсатор, таким образом, также является потребителем энергии. На выходе из конденсатора мы получаем воду, с параметрами близким к параметрам пара, которая является "холодным" теплоносителем для второго теплового контура. Эта вода, пройдя через несколько вспомогательных устройств, становится питательной водой и с помощью питательного насоса подается в барабан сепаратор.
Следует понимать, что выше описанная схема является, только приближением к реальной тепловой схеме. В ней отражены только ключевые элементы необходимые для понятия базовых принципов работы энергоустановки. Такие важные элементы как деаэратор, конденсатный насос, промежуточные подогреватели, не показаны в данной схеме.

Схема второго теплового контура
Вторй тепловой контур

Потери тепловой энергии в тепловом контуре
В схеме присутствуют два потребителя тепловой энергии. Первый - турбина преобразует тепловую энергию в механическую, которая в генераторе преобразуется в электрическую, таким образом совершается полезное преобразование энергии. Второй потребитель - конденсатор превращает тепловую энергию пара в тепловую энергию воды водохранилища. Как было отмечено выше тепловая мощность реактора РБМК-1000 приблизительно 3200 МВт а электрическая мощность реакторной установки 1000 МВт. 2200 МВт тратится на обогрев водохранилища и окружающей среды. Получение незамерзающего зимой водоема с большой натяжкой можно назвать полезным преобразованием энергии, однако обойтись без таких потерь тепловой энергии невозможно. В термодинамике есть теорема о предельном КПД (коэффициент полезного действия) для преобразования тепловой энергии в механическую.
Попробуем понять, не пользуясь этой теоремой, необходимость конденсатора в тепловой схеме. В турбине происходит снижение температуры и давления пара за счет совершения работы (вращение ротора), понятно что температуру и давление нельзя снижать бесконечно (трудно получить арктическую температуру, и космический вакуум без дополнительных и дорогих установок), поэтому на выходе из турбины мы получаем пар с температурой - 30 ° С, давлением P - 0.004 МПа (0.04атм.). Однако даже такой пар, который нельзя использовать, ни для обогрева, ни для вращения ротора турбины, содержит количество тепловой энергии почти в два раза большее чем он отдал проходя через турбину. Эта энергия передается охлаждающей воде в конденсаторе при превращении пара в воду, температура при этом остается приблизительно 30° .

 

Теплообмен в активной зоне реактора
Рассмотрим более подробно источник тепловой энергии АЭС. Как уже говорилось ядерная энергия высвобождается в результате деления ядер. Основным делящимся элементом, в большинстве современных энергетических реакторов, являются ядра урана, а именно изотопа с атомной массой 235 ( 235U ) . Обычно топливо применяется в виде таблеток UO2 помещенных в металлическую трубку. В реакторе РБМК трубка диаметром 13.5 мм выполнена из циркониевого сплава. Герметично заваренная заглушками трубка, с таблетками топлива называется тепловыделяющим элементом (ТВЭЛ). ТВЭЛы, в работающем реакторе, омываются потоком теплоносителя .
В результате деления, тепловая энергия выделяется в таблетке, которая нагревается. За счет теплопроводности тепловая энергия предается на оболочку. Теплоноситель омывая оболочку снимает тепловую энергию и нагревается, в РБМК теплоноситель частично испаряется.
РБМК 1000
Как уже упоминалось, при рассмотрении способов теплообмена, чем больше разность температур между горячей и холодной точками, тем больше тепловой поток. Однако температуру нельзя поднимать до бесконечности, максимальная температура таблетки топлива ограничена температурой плавления, для UO2 она составляет приблизительно 1800 градС. Самая горячая точка таблетки находится в ее середине. Для оболочки твэла из циркония, максимальная температура 320-350 град С. При большей температуре его прочностные характеристики ухудшаются (повышается ползучесть). В процессе эксплуатации реактора необходимо не допускать превышение предельных температур, поскольку разрушение ТВЭЛа ведет к выходу сильно радиоактивных продуктов деления в теплоноситель и их разнос по трубопроводам.
В заключении приведем слегка более наглядную тепловую схему:

Конструкция РБМК 1000

Реакторная установка РБМК-1000
Рассматривая тепловую схему, мы изучали АЭС с точки зрения преобразования энергии, не конкретизируя элементы схемы. Попробуем посмотреть в самых общих четах, что представляют собой эти квадратики и кружочки тепловой схемы, как теперь говорят в натуре. Более детальное описание основных узлов реакторной установки приводятся в, соответствующих разделах далее, здесь же мы ограничимся лишь самыми общими техническими характеристиками

Реакторная установка РБМК 1000

Реактор
РБМК это Реактор Большой Мощности Канальный, цифра 1000 это 1000 МВт электрической энергии которые получаются после преобразования.
В самом общем виде реактор представляет собой цилиндр составленный из графитовых блоков, помещенный в бетонную шахту. Диаметр, этого цилиндра, около 12 м, а высота около 8 м. Реактор окружен боковой биологической защитой в виде кольцевого бака с водой. Этот цилиндр пронизывают 1693 топливных канала, представляющих собой трубки из сплава циркония диаметром 88 мм и толщиной 4 мм. В топливном канале устанавливается тепловыделяющая сборка (ТВС).
ТВС в РБМК состоят из двух частей верхний и нижней, каждая из которых содержит 18 твэлов стержневого типа из таблеток спеченной двуокиси урана (UO2), заключенных в оболочки из циркониевого сплава. Высота столбика таблеток 3.5 м, диаметр твэла 13.5 мм.
Теплоноситель, вода, движется в каналах с низу в верх, омывая ТВС и снимая тепловую энергию. Подвод теплоносителя осуществляется к каждому каналу, существует возможность регулировать расход воды через канал. В связи особенностями физики реактора тепловая энергия выделяется неравномерно по объему. В каналы с большей мощностью подается большее количество воды. Проходя по каналу часть воды испаряется, в каналах с максимальной мощностью массовое паросодержание на выходе достигает 20 %, среднее паросодержание на выходе из реактора 14.5 %.
Одним из преимуществ РБМК пред ВВЭР, является возможность перегрузки выгоревшего топлива без остановки реактора. Загрузка топлива в реактор осуществляется с помощью разгрузочно-загрузочной машины (РЗМ). При перегрузки канала РЗМ герметично соединяется с верхней часть канала, в ней создается такое же давление, как и в канале, отработанная ТВС извлекается в РЗМ свежая ТВС устанавливается в канал.

Основные характеристики реактораРБМК-1000

Мощность

Электрическая1000
Тепловая3200

Размеры активной зоны, мм

Эквивалентный диаметр11 800
Высота7 000
Шаг топливных каналов, мм250
Число топливных каналов1693
Максимальная мощность теплового канала, кВт 3000
Тип ТВЭЛа стержневой
Материал оболочки циркониевый сплав
Паропроизводительность реактора, т/ч5800

Параметры пара перед турбиной

Давление, МПа6.38
Температура, град С280

Температура теплоносителя в каналах реактора

Вход270
Выход284
Расход воды через реактор, т/ч37 500
Среднее массовое паросодержание на выходе, %14,5

 

Барабан сепаратор
В тепловой схеме барабан сепаратор изображался как одно устройство, на самом деле в установке РБМК-1000 используются четыре барабана сепаратора, которые представляют собойметаллические цилиндры диаметром 2.6 м и длинной 31 м. Пароводяные коммуникации представляют собой сложную систему трубопроводов.

Основные характеристики барабан сепаратора.

Наименование параметра.

Размерность

Величина

1. Расход питательной воды в один БС

т/ч

1450

2. Давление насыщенного пара:

Мпа


- рабочее


7

- расчетное


75

3. Давление питательной воды на входе в сепаратор пара

МПа

7.1

4. Влажность пара на выходе из сепаратора

%

0.1

5. Температура пароводяной смеси

° С

284.5

6. Температура питательной воды

° С

165

7. Расход контурной воды

т/ч

8000

8. Расход пароводяной смеси

т/ч

8450

9. Номинальный уровень от погружного дырчатого листа

мм

150

10. Перепад регулирования уровня в сепараторе от номинального значения, не более

мм

± 50

11. Вес сухого сепаратора

т

280

12. Вес сепаратора в рабочем состоянии

т

394

13. Вес сепаратора при гидроиспытании

т

439

14. Геометрический объем

м3

159

15. Минимальная толщина стенки корпуса по основному металла корпуса

мм

110

16. Предельно допустимая скорость изменения температуры металла корпуса

  град С

30

17. Паросодержание пароводяной смеси на входе в БС, не более

%

15.4

18. Предельно-допустимая разность температуры между верхом и низом корпуса БС

 град С

40

19. Предельно-допустимая разность температур между низом БС и питательной водой

град С

130

 

Главный циркуляционный насос
На АЭС с ректором РБМК - 1000, применяется вертикальный центробежный насос с приводом от асинхронного электродвигателя с коротко замкнутым ротором. Насосы объединены в две группы по четыре. При нормальной эксплуатации три работают, обеспечивая циркуляцию теплоносителя, один находится в резерве. Таким образом то, что в тепловой схеме обозначено одним кружочком на самом деле представляет собой восемь насосов,(шесть работающих и два резервный). Далее приведены основные характеристики насоса.

Основные характеристики ГЦН реактора РБМК-1000

Тип насоса

Центробежный

Число насосов

8

Подача, м3

8000

Напор, м

200

Частота вращения, об/мин

1000

Давление на входе в насос, МПа

7,2

Температура на входе в насос, град С

270

КПД насосного агрегата,%

80

Мощность насосного агрегата, кВт

4300

Контролируемые утечки, м3

8

Подводимое напряжение, В

6000

Масса агрегата, т

107



Продажа подъемников фасадных с монтажом.
На главную