Ядерные реакторы производят электроэнергию, используя контролируемое деление атомных ядер. В результате этого процесса выделяется много тепла, и чтобы система не перегревалась, её охлаждают.
Когда мы активны, сердце бьётся быстрее, и нам становится жарко. То же самое происходит с двигателем автомобиля: он нагревается от движения внутренних частей. Чтобы избежать перегрева, двигатель охлаждают разными методами. Один из них — жидкое охлаждение, при котором специальная жидкость циркулирует вокруг нагретых частей, забирая избыточное тепло. Другой метод — охлаждение потоком воздуха. Такие же принципы применяются в охлаждении ядерных реакторов на атомных электростанциях. Давайте познакомимся с ними подробнее.
Как реакторы охлаждают водой
С помощью воды охлаждают легководные реакторы. Это реакторы, где обычная вода H2O используется для замедления нейтронов и передачи тепла. Легководные реакторы бывают разные: PWR, или реактор с водой под давлением, и BWR, кипящая водяная установка.
В PWR вода выполняет две роли: охлаждает и переносит тепло. Сперва вода циркулирует вокруг топливных элементов. Её задача — забрать тепло и передать его теплообменникам под высоким давлением, а после вернуться обратно к топливу. Теплообменники передают тепло генератору пара, который преобразует его в пар, тем самым генерируя электроэнергию.
BWR также использует воду для охлаждения и передачи тепла. Однако, в отличие от PWR, вода превращается в пар уже в реакторе. Затем пар направляется к турбинам, где производится электроэнергия.
Вода — удивительная вещь! Она впитывает много тепла, не меняя свою температуру сильно. Причина тому — высокая теплоёмкость. Это свойство, которое помогает воде поглощать тепло без кардинального изменения температуры. Так же, как губка, впитывающая воду, становится влажной, но не меняет свой размер, вода поглощает большое количество тепла без значительного изменения температуры.
К тому же вода эффективно замедляет нейтроны. Напомним: нейтроны — маленькие частицы, которые двигаются очень быстро. Когда они сталкиваются с почти равными по массе ядрами водорода — протонами, при столкновении быстрые нейтроны отдают протонам свою кинетическую энергию и замедляются. Чем тяжелее ядро, тем меньше энергии теряет нейтрон.
И вот ещё что: вода — естественный щит от радиации из-за своей структуры и свойств. Когда радиация пытается пройти через воду, она взаимодействует с её молекулами. В результате вода поглощает и рассеивает часть радиационной энергии.
Однако вода имеет ограничения по температуре. При очень высоких температурах она может превратиться в пар и потерять эффективность как охладитель. Поэтому вода не подходит для других типов реакторов — температура в них выше. Например, быстрые реакторы, охлаждаемые газом, работают при 850°C. Водоохлаждаемые реакторы работают при 510-550°C.
Как охлаждает газ
Существуют реакторы, которые охлаждаются газом, а не водой. Например, так устроены графито-газовые реакторы. Такие реакторы устанавливают в международном проекте ГТ-МГР. Они охлаждаются углекислым газом или гелием, которые циркулируют вокруг топливных элементов, забирая тепло и передавая его другим частям реактора.
Газ двигается от области с высокой температурой, где расположены топливные элементы, к области с более низкой температурой, в теплообменники. Там тепло передаётся другой среде, например воде или другому газу, который затем может использоваться для привода турбин и производства электроэнергии.
Газы хорошо передают тепло и могут использоваться для охлаждения реактора, особенно при высоких температурах, когда вода становится паром. Инертные газы, например углекислый газ, нерадиоактивны. Это означает, что они не склонны к химическим реакциям с другими веществами и не образуют опасных соединений, что снижает риск возгорания, взрыва и прочих реакций.
Как жидкие металлы не дают реактору кипятиться
Иногда для охлаждения реакторов применяют жидкометаллические охладители, такие как натрий или свинец. Эти жидкости хорошо проводят тепло и могут работать при высоких температурах. Их используют в жидкометаллических реакторах. Например, в реакторе БРЕСТ-ОД-300.
В жидкометаллических реакторах в качестве топлива используются твёрдые материалы, такие как урановый диоксид. Охлаждают такой реактор, используя натрий или свинец. Подобно воде и газам, жидкость циркулирует вокруг топливных элементов, нагревается и проходит через теплообменники. В результате тепло передаётся другой рабочей жидкости, которая затем используется в производстве пара и энергии. Обычно в качестве рабочей жидкости используют литий.
Жидкометаллические охладители с высокой теплопроводностью могут работать при очень высоких температурах. И в отличие от некоторых газов и воды, жидкометаллические охладители обладают низкой радиационной активностью. Из-за этого они более управляемы в использовании.
А есть ли смешанные системы
Некоторые реакторы используют смешанные системы охлаждения, где сочетают воду и газ. Так можно использовать преимущества каждого метода и смягчить их недостатки. Смешанная система охлаждения используется на реакторах с промежуточным охлаждением. В них для разных секций предусмотрены разные типы охладителей, обычно вода или газ.
В реакторе с промежуточным охлаждением применяются топливные элементы, содержащие ядерное топливо, например уран-235 или плутоний-239. Реактор разделён на разные части, одна из них охлаждается водой, а другая — газом.
Разнообразие в методах охлаждения позволяет усовершенствовать систему для адаптации к различным условиям эксплуатации. Например, если нам нужно больше или меньше энергии от ядерного реактора, смешанная система позволяет отладить процесс, чтобы соответствовать изменённому объёму энергии.
Разнообразие методов охлаждения ядерных реакторов открывает перед нами увлекательный мир возможностей в области энергетики. От смешанных систем до газовых охладителей, каждый подход вносит свой вклад в эффективность и безопасность целой отрасли.
