Ядерный (атомный) реактор является устройством для осуществления управляемой цепной реакции деления. Основной частью ядерного реактора является активная зона, в которой происходят формирование энергетического спектра нейтронов, деление ядер топлива и преобразование ядерной энергии в тепловую для последующего использования. Активная зона состоит из ядерного топлива, замедлителя нейтронов (в реакторах на тепловых или промежуточных нейтронах) и конструкционных материалов. Для отвода тепла от активной зоны служит теплоноситель. Управление цепной реакцией деления осуществляется органами регулирования. Для уменьшения утечки нейтронов активную зону окружают отражателем – неделящимся материалом, хорошо рассеивающим нейтроны и слабо их поглощающим. Все эти составные части находятся в корпусе ядерного реактора, закрытого крышкой, на которой смонтированы исполнительные механизмы органов регулирования. Основными элементами атомного энергетического реактора являются активная зона, отражатель нейтронов, окружающий активную зону, стержни-поглотители нейтронов, обеспечивающие управление реактором (поддержание энергии на нужном уровне и обеспечение раномерности ее распределения по объему реактора) и аварийную защиту, биологическая защита реактора. Реактор заключен в герметичный металлический корпус (здесь же находится теплообменник). Активная зона реактора содержит в себе ядерное горючее (в реакторах на тепловых нейтронах активная зона содержит также замедлитель нейтронов и некоторые другие компоненты). В ней протекает управляемая цепная ядерная реакция и выделяется энергия деления (в основном – в виде тепловой). Выделенная энергия отводится с помощью теплоносителя. При необходимости, тепловая энергия превращается в электрическую либо с помощью тепловых 2 преобразователей, вмонтированных непосредственно в реактор, или с помощью специального теплоносителя, уносящего тепло к внешнему электрогенератору. Реакторы на тепловых нейтронах обычно классифицируются по типу замедлителя. В качестве замедлителя используются материалы, обладающие хорошей замедляющей способностью и низким поглощением нейтронов. Среди них водород (в составе обычной воды), дейтерий (в составе тяжелой воды) и углерод (в виде графита). Реакторы, использующие в качестве теплоносителя обычную воду, можно разделить на два типа: двухконтурные и одноконтурные. Если контуры теплоносителя и рабочего тела совмещены, то систему теплосъема называют одноконтурной, если же они разделены, то двухконтурной. В этом случае контур теплоносителя называют первым, а контур рабочего тела – вторым. В одноконтурных энергетических реакторах вода при прохождении через активную зону нагревается до температуры кипения, и в верхней части активной зоны образуется пар. Пар из такого реактора поступает в сепаратор, где от него отделяется влага, после чего пар поступает в турбину. Конденсат пара из конденсатора турбины через подогреватели низкого давления направляют в деаэратор, а затем в реактор. Неконденсирующиеся газы из конденсатора турбины выбрасывают в систему спецвентиляции или на очистку. Выделяют три большие группы ядерных реакторов: 1. Ядерные реакторы, использующиеся в качестве источников тепловой энергии (энергетические) 2. Ядерные реакторы, использующиеся для получения различных видов излучения. 3. Ядерные реакторы – размножители, наработчики новых радионуклидов, в том числе – нового ядерного топлива или компонентов ядерного оружия (реакторы – конвертеры и реакторы – бридеры). Ядерные реакторы подразделяются на различные типы не только по назначению, но и по физическим, техническим и эксплуатационным признакам. По физическим признакам различают реакторы на тепловых и быстрых нейтронах; реакторы уранового, плутониевого или ториевого цикла; реакторы – размножители (бридеры). Техническая классификация проводится по признакам: -вид теплоносителя и замедлителя (водяные тепловые ядерные реакторы с легководным, тяжеловодным или графитовым замедлителем, реакторы на быстрых нейтронах с натриевым или гелиевым теплоносителем, реакторы с органическим теплоносителем и замедлителем) -агрегатное состояние водного теплоносителя (водо-водяные энергетические реакторы с водой под давлением, газовые реакторы, пароохлаждаемые реакторы на быстрых нейтронах) -элемент, в котором создается давление теплоносителя (корпусные, канальные, канальнокорпусные ядерные реакторы) -число контуров теплоносителя (реакторы однокорпусные, с прямым паро- или газотурбинным циклом, двухкорпусные с парогенератором и трехкорпусные - с промежуточным контуром, отделяющим первый реакторный контур от паросилового контура) -структура и форма активной зоны (гетерогенные и гомогенные ядерные реакторы с активными зонами в форме цилиндра, параллелепипеда или сферы) -время действия (ядерные реакторы непрерывного действия, импульсные, прерывистого действия). Гомогенные и гетерогенные реакторы Гомогенные – топливо ,теплоноситель и замедлитель представляют из себя одну фазу. Циркуляционными насосами данная среда поступает из активной зоны реактора в теплообменник, там охлаждается и опять попадает в активную зону. В гомогенном реакторе ядерное топливо, теплоноситель и замедлитель (если они есть) тщательно перемешаны и находятся в одном физическом состоянии, т.е. активная зона полностью гомогенного реактора представляет жидкую, твердую или газообразную однородную смесь ядерного топлива, теплоносителя или замедлителя. Гомогенные реакторы могут быть как на тепловых, так и на быстрых нейтронах. В таком реакторе вся активная зона находится внутри стального сферического корпуса и представляет жидкую однородную смесь горючего и замедлителя в виде раствора или жидкого сплава (например, раствор уранилсульфата в воде, раствор урана в жидком висмуте), который одновременно выполняет и функцию теплоносителя. В гетерогенных реакторах ядерное топливо в виде блоков размещено в замедлителе, т.е. топливо и замедлитель пространственно разделены. Горючее и замедлитель представляют собой неоднородную среду для нейтронов. Гетерогенный реактор имеет активную зону в виде гетерогенной размножающей среды. В таком реакторе топливо в виде цилиндрических стержней (или пластин) выделено пространственно так, что создает основу решетки активной зоны - системы топливных и других материалов, расположенных в определенной периодической последовательности. Тепловыделяющий элемент, ТВЭЛ - герметично заваренная заглушками трубка, с таблетками топлива. Топливная кассета - конструкция из таблеток урана и собирающего вместе с ними корпуса толщиной 10- 20 см и длиной в несколько метров, являющаяся выделителем энергии за счет распада урана. Материалом корпуса обычно является цирконий. Любая атомная электростанция не зависимо от типа состоит из: теплотехнического оборудования и трубопроводов, которые его соединяют. К теплотехническому оборудованию относят: • реакторная установка; • парогенераторная установка; • турбогенераторная установка; • конденсационная установка; • конденсата-питательный тракт; Парогенераторы делятся на 3 типа: прямоточные, с естественной циркуляцией и с многократной принудительной циркуляцией Прямоточные – все элементы в одной последовательной цепи с однократным принудительным движением в них рабочего тела за счет напора, создаваемого питательным насосом. Парогенераторы с естественной циркуляцией характеризуются многократным проходом воды через поверхность нагрева испарителя за счет естественного напора, возникающего из-за разности масс столбов жидкости, проходящей через опускную систему, и пароводяной смеси – через подъемную. Парогенераторы с многократной принудительной циркуляцией также имеют многократное движение воды в замкнутом контуре испарителя, но за счет напора, создаваемого циркуляционным насосом, включенным в опускную систему. По виду первичного теплоносителя ПГ: с жидким теплоносителем и с газообразными. Турбогенераторы Турбогенераторы предназначены для выработки электроэнергии в продолжительном номинальном режиме работы при непосредственном соединении с паровыми или газовыми турбинами. Турбогенераторы устанавливаются на тепловых и атомных электростанциях. В зависимости от мощности турбогенераторы подразделяются на три основные группы: мощностью 2,5-32 МВт, 60-320 МВт и свыше 500 МВт. По частоте вращения различают турбогенераторы четырех-полюсные (на частоту вращения 1500 и 1800 об/мин) и двухполюсные (на частоту вращения 3000 и 3600 об/мин) соответственно на частоты сети 50 и 60 Гц. По виду приводной турбины турбогенераторы классифицируются на генераторы, приводимые во вращение паровой турбиной, и генераторы с приводом от газовой турбины. По системе охлаждения турбогенераторы подразделяются на машины с воздушным, с косвенным водородным, непосредственным водородным и жидкостным охлаждением. По применяемой системе возбуждения турбогенераторы классифицируются на машины со статической системой самовозбуждения, независимой тиристорной системой возбуждения и бесщеточным возбуждением. Турбогенераторы с воздушным охлаждением серии Т. Турбогенераторы с воздушным охлаждением (серии Т) выпускаются мощностью 2,5; 4, 6, 12 и 20 МВт (табл. 8.1). Генераторы мощностью 2,5 — 12 МВт имеют косвенное воздушное охлаждение активных частей, генераторы мощностью 20 МВт — непосредственное воздушное охлаждение обмотки ротора и косвенное воздушное охлаждение других активных частей. Турбогенераторы мощностью 2,5 — 12 МВт выполняются на фундаментных плитах с одним стояковым изолированным подшипником, с одним свободным концом вала. Турбогенератор типа Т-20-2 выполняется с двумя стояковыми подшипниками. Турбогенераторы имеют закрытое исполнение, обеспечивающее систему самовентиляции по замкнутому циклу. Машины типов Т-2,5-2, Т-4-2, Т-6-2, Т-12-2 имеют горизонтальные газоохладители, расположенные по бокам статора на фундаментной плите. В турбогенераторе типа Т-20-2 используются шесть вертикально расположенных газоохладителей. Газоохладители имеют амортизационные подвески. Турбогенераторы с водородным охлаждением серии ТВФ. В серию ТВФ входят турбогенераторы мощностью 63, 100 и ПО МВт. Турбогенераторы имеют непосредственное форсированное охлаждение обмотки ротора водородом и косвенное водородное охлаждение обмотки статора. Турбогенераторы с водородно-водяным охлаждением серии ТВВ В серию ТВВ входят турбогенераторы мощностью 160, 200, 220, 300, 500, 800, 1000 и 1200 МВт на 3000 об/мин и турбогенераторы мощностью 1000 МВт на 1500 об/мин. Турбогенераторы имеют непосредственное охлаждение обмотки статора дистиллированной водой, непосредственное форсированное охлаждение обмотки ротора водородом, внешней поверхности ротора и сердечника статора — водородом. Турбогенераторы с водородно-водяным охлаждением серии ТВВ. В серию ТВВ входят турбогенераторы мощностью 160, 200, 220, 300, 500, 800, 1000 и 1200 МВт на 3000 об/мин и турбогенераторы мощностью 1000 МВт на 1500 об/мин. Турбогенераторы имеют непосредственное охлаждение обмотки статора дистиллированной водой, непосредственное форсированное охлаждение обмотки ротора водородом, внешней поверхности ротора и сердечника статора — водородом. Турбогенераторы с полным водяным охлаждением ТЗВ. Производственное объединение «Электросила» серийно изготовляет турбогенераторы с полным водяным охлаждением типа ТЗВ-800-2УЗ мощностью 800 МВт, 3000 об/мин В турбогенераторе типа ТЗВ-800-2 обмотки статора и ротора охлаждаются непосредственно водой, протекающей по каналам трубчатых медных проводников. Активная сталь сердечника статора охлаждается охладителями из силумина, запрессованными между пакетами. Сталь ротора и воздух, заполняющий генератор, охлаждаются в основном водоохлаждаемой демпферной обмоткой ротора. Турбогенераторы серии ТГВ и ТВМ. В серию ТГВ входят турбогенераторы мощностью 200, 300 и 500 МВ. Корпус статора — цилиндрический, сварной, газоплотный. Турбогенераторы мощностью 200 и 300 МВт выполнены в однокорпусном исполнении. Корпус статора турбогенератора мощностью 500 МВТ состоит из трех частей - центральной и двух приставных с торцов коробов. Корпус статора заполнен водородом под давлением. Сердечник статора собран на продольные призмы. Для снижения вибрации внутренний корпус устанавливается в корпусе статора на пластинчатых пружинах, расположенных в несколько рядов по длине машины. Сердечник состоит из отдельных пакетов, разделенных кольцевыми радиальными каналами. В серию ТВМ входят турбогенераторы мощностью 300 и 500 МВт (см. табл. 8.5). Турбогенераторы имеют масляное охлаждение обмотки и сердечника статора и водяное ротора.
