Ядерное топливо

Энергетические ресурсы

Энергетические ресурсы – это материальные объекты, часть энергии которых может использоваться человеком для получения нужных энергетических эффектов.

1) возобновляемые (непрерывно восстанавливаются природой – солнце, ветер, реки, моря, геотермальные источники)

2) невозобновляемые (ранее накопленные в природе – уголь, сланец, торф, продукты переработки нефти, природный и попутный газ, урановая руда)

Основной источник энергии – органическое (Q=8 – 45 МДж/кг) и ядерное (U²³⁵, Pu²³⁹) топливо.

Вид топлива	Примеры
Искуственное	Естественное
твердое	продукты обогащения углей, твердые продукты энергопереработки, твердые горючие отходы производств	антрацит, каменный уголь, бурый уголь, сланец
жидкое	бензин, керосин, легроин,	нефть
дизтопливо, мазут
газ	газообразные продукты энерго-технологической переработки твердого топлива, газообразные отходы производств (доменный газ)	природный и попутный газ

Основные месторожденияорганического топлива

Размещение месторождений по России (и мира) неравномерно, наиболее развитые в промышленном отношении районы бедны топливом (Европейская часть РФ).

Основная масса ресурсов – в Центральной и Западной Сибири.

Угли (бурые и каменные). 90% мировых запасов у стран бывшего СССР, США, КНР. По данным МИРЭК, разведанных и доказанных запасов твердого топлива (10200 млрд тонн условного топлива, Q=7000 ккал/кг) хватит на 200-300 лет. Основные угольные бассейны:

1. Подмосковный;

2. Донецкий;

3. Печорский (север Европейской части РФ);

4. Кузнецкий (Кемеровская обл.);

5. Канско-Ачинский.

Нефть (мазут и дизтопливо). Запасы оцениваются в 240 млрд тонн условного топлива, их хватит на 50-60 лет. Основные залежи – в Тюменской области, на Северном Кавказе и на экватории Каспия, на северо-востоке РФ, Волго-Уральской области, Коми.

Природный газ Запасы 210 трлн м³ (хватит на 40-50 лет). Основные месторождения в России: Южный Урал, Тюменская область (Шатлыкское, Медвежье, Уренгойское, Ямбургское).

АЭС используют энергию распада радиоактивных ядер атомов тяжелых металлов U²³⁵ и Pu²³⁹.

Уранит (самая богатая урановая руда) содержит 60…90% UO_2, в составе которой радиоактивного U²³⁵ содержится всего 0,72%, а остальное U^238.. После обогащения в газодиффузионных заводах U²³⁵ составляет 1,5-3,5%. Данное ядерное топливо загружают в ядерные реакторы.

При делении 1кг U²³⁵ выделяется 85 мпн. Мдж тепла (Q=85*10⁶Мдж/кг), что эквивалентно сжиганию 3500т. угля с Q=24,5Мдж/кг (то есть 3,5 млн раз больше).

Виды и классификация ТЭС

ТЭС делятся на конденсационные (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).

КЭС (ГРЭС) предназначены для выработки электроэнергии. Располагаются, в основном, в местах добычи или удобной транспортировки топлива, вблизи крупных потребителей электроэнергии, которая поступает в электрические сети.

ТЭЦ служат для покрытия тепловых нагрузок в виде горячей воды и пара. Теплоэлектроцентрали размещаются вблизи крупных потребителей тепла. Электроэнергия подается в электросети, тепло – в теплосети.

Основными тепловыми агрегатами паротурбинной ТЭС являются паровой котел и паровая турбина.

Процесс в паротурбинной установке (ПТУ) - цикл Ренкина

Рис.3. Цикл Ренкина для перегретого водяного пара:

a – b сжатие в питательном насосе;

b – c подогрев в экономайзере котла;

c – d испарение в парообразующих поверхностях котла;

d – e перегрев в пароперегревателе котла;

e – f расширение пара в турбине;

f – a конденсация пара в конденсаторе.

Для повышения экономичности цикла используют:

а) регенеративный подогрев конденсата отборным паром турбины;

б) вторичный перегрев пара, отработавшего в ЦВД турбины – газовый перегрев в ПК.

Рис. 4. Принципиальная схема КЭС.

1. Паровой котел с промежуточным пароперегревателем. 2. Цилиндр высокого давления. 3. Цилиндр среднего и низкого давления. 4. Электрический генератор. 5. Конденсатор. 6. Конденсатный насос. 7. Подогреватель низкого давления. 8. Деаэратор. 9. Питательный насос. 10. Подогреватель высокого давления. 11. Цех химводоочистки.

Пароводяной цикл КЭС замкнут.

Рис. 5. Принципиальная схема ТЭЦ

1. Паровой котел. 2. Паровая турбина. 4. Электрический генератор. 5. Конденсатор. 6. Конденсатный насос. 7. Подогреватель низкого давления. 8. Деаэратор. 9. Питательный насос. 10. Подогреватели высокого давления. 11. Цех химводоочистки. 12. Тепловой потребитель.

Виды и классификация АЭС

С точки зрения организации технологического процесса, АЭС разделяют на одно-, двух- и трехконтурные.

В системе любой АЭС различают теплоноситель и рабочее тело.

Рабочим телом (средой, совершающей работу), преобразуя тепловую энергию в механическую, является водяной пар. Высокие требования к чистоте (качеству) пара требуют полного возврата конденсата, отработавшего в турбине пара, в цикл. Поэтому контур рабочего тела всегда замкнут. Добавочная вода восполняет потери и утечки.

Теплоноситель отводит тепло от реактора. Контур теплоносителя радиоактивен и также всегда замкнут.

Если контуры рабочего тела и теплоносителя не разделены, то АЭС – одноконтурная. Рис.4 Одноконтурная АЭС

1. Реактор

2. Турбина

3. Генератор

4. Конденсатор

5. Питательный насос

Преимущество – простота и большая экономичность по сравнению с двухконтурной схемой, если теплоноситель – вода. Недостатки: все оборудование работает в радиоактивных условиях, поэтому требуется биологическая защита, осложняется эксплуатация, ремонт. Примеры: реакторы РБМК-1000 Ленинградской, Курской, Чернобыльской АЭС.

В двухконтурной схеме (Рис.5) контуры рабочего тела и теплоносителя разделены.

6. Парогенератор

7. Циркуляционный насос

P₁>P₂

P₁=16,5 МПа

P₂=6 МПа

t₁=345 ^оС

t₂=275 ^оС

∆t= t₂- t₁

Для обеспечения надежного отвода тепла желательно предотвратить закипание воды в реакторе, поэтому P₁>P₂. В качестве теплоносителя может быть использован газ, тогда это условие соблюдать не нужно.

Такая схема сложна и требует больших капитальных затрат. Примеры: реакторы ВВЭР -1000 Нововоронежской, Калининской, Кольской, Армянской, Ровенской, Ростовской АЭС.

Контур рабочего тела здесь работает в отсутствие радиации, но при возникновении утечек в контуре теплоносителя возможно его радиационное загрязнение. В определенных пределах это не нарушает нормальной работы АЭС, но если использовать теплоноситель, интенсивно взаимодействующий с водой (напр. жидкий натрий), это приведет к крупной аварии. Поэтому, чтобы избежать контакта радиоактивного натрия с водой (паром), создают дополнительный контур (трехконтурная схема).

Общим для одно- и двухконтурных схем является то, что они работают с турбиной на насыщенном (слабоперегретом) паре средних давлений. Такие АЭС наиболее распространены в мире.

В трехконтурной схеме (Белоярская АЭС в Свердловской области блоки на быстрый нейтронах на U²³⁸ БН-600 до 2020 года и строится БН-800 N=880 МВТ, вырабатывает 2т U²³⁵ из 1 т U²³⁸) P₁<P₂ и близки к атмосферному, поэтому перетечка радиоактивного натрия во второй промежуточный контуру невозможна. Такие схемы являются наиболее дорогими.

Рис. 6 Трёхконтурная схема

8. Теплообменник

9. Компенсатор объема

Во всех указанных схемах отработавший в турбине пар направляется в конденсатор – АКЭС.

На АТЭЦ используются противодавленческие турбины и турбины с регулируемыми отборами. Ввиду недопустимости радиоактивного загрязнения пара или воды, поступающих к потребителю, на АТЭЦ не используют одноконтурные схемы. При этом исключается прямой отбор пара из турбины (в ВВЭР возможно заражение второго контура).

Рис. 7 АТЭЦ (турбина с противодавлением)

10.Тепловой потребитель

11. Конденсатный насос

12. Регенеративный подогреватель

Рис. 8 АТЭЦ (турбина с регулируемыми отборами)

Тепло поступает к потребителю через паропреобразователи или сетевые подогреватели.

Сопоставляя схемы КЭС и ТЭЦ на органическом и ядерном топливе, видим, что контуры АЭС всегда замкнуты, в то время, как газовый контур на ТЭС всегда разомкнут. Замкнутые контуры всегда экономичнее и целесообразнее.

Дата добавления: 2014-01-20