Паротурбинные атомные электрические станции

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ государственное БЮДЖЕТНОЕ  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Камская государственная инженерно-экономическая  академия

Кафедра «Электротехника и электроника»

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

по дисциплине «Общая энергетика»

 

на тему «Паротурбинные атомные электрические станции»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент  гр. 4256

Ситдиков А.Р.

 

Проверил: к.т.н., доцент

Гумеров А.З.

 

 

 

Набережные  Челны

2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………….…………………………..3

1. Устройство атомной электростанции……………………………………………..5

2. Принцип действия турбины……………………………………………………….10

3. Особенности турбинных установок на насыщенном паре…………………….15

3.1. Разделительное давление и схема включения промежуточных пароперегревателей………………………………………………………………….17

4. Особенности работы турбинной установки на радиоактивном паре…………19

4.1. Процессы, происходящие в турбине…………………………………………..21

Заключение……………………………………………………………………………23

Список использованной литературы……………………………………………….25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Формирование биосферы и зарождение жизни на Земле происходило в  условиях радиационного воздействия  различной природы. После фундаментальных  открытий конца 19-ого века – природной  радиоактивности и рентгеновских  лучей – началось бурное развитие атомной и ядерной физики. После  открытия и получения искусственной  радиоактивности стала очевидной  возможность практического использования  атомной энергии. Очередной вехой  в этом направлении стало осуществление  управляемой цепной реакции деления  тяжёлых ядер. На фоне исследования ядерно-физических процессов в научных  целях в США было создано атомное  оружие, что повлекло за собой безудержную  гонку ядерных вооружений. В ряде стран создавалась ядерная промышленность, строились атомные электростанции, и в настоящее время ядерная  энергетика стала одной из важнейших  характеристик современного мира.

Примечательно то, что первая в  мире атомная электростанция была построена  в СССР в 1954 году, в городе Обнинске. Первоначальная её мощность составляла 5 МВт, однако именно Обнинская АЭС положила начало для бурного развития атомной энергетики во всем мире. Запустив первый на планете управляемый атомный реактор, практически была доказана сама возможность получения электроэнергии на основе расцепления урановых ядер. В то время, атомная энергетика являлась своего рода возможностью использования альтернативного топлива, однако очень быстро именно атомные электростанции стали доминировать среди прочих систем получения электроэнергии.

И вот сейчас, более шестидесяти лет спустя, наиболее авторитетные ученые полагают, что перспективным направлением для развития энергосистем в ближайшем  обозримом будущем все еще  будет оставаться ядерная энергетика, несмотря на возможные опасности  связанные с использованием радиоактивных  материалов, как основного топлива  ядерных энергетических установок. Рост энергопотребления , быстрое исчерпание запасов газа и нефти заставляют мировую общественность уделять всё большее внимание именно ядерной энергетике.

Турбина, первичный  двигатель с вращательным движением  рабочего органа для преобразования кинетической энергии потока жидкого  или газообразного рабочего тела в механическую энергию на валу. Турбина состоит из ротора с лопатками (облопаченного рабочего колеса) и корпуса с патрубками. Патрубки подводят и отводят поток рабочего тела. Турбины, в зависимости от используемого рабочего тела, бывают гидравлические, паровые и газовые. В зависимости от среднего направления потока через турбину они делятся на осевые, в которых поток параллелен оси турбины, и радиальные, в которых поток направлен от периферии к центру.

Турбина является, пожалуй, самым сложным агрегатом, после самого реактора в составе  АЭС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. УСТРОЙСТВО АТОМНОЙ  ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Принцип работы атомной электростанции очень прост – это обычное  преобразование тепловой энергии в  электрическую. Иными словами АЭС работают по тому же принципу, что и обычные тепловые электростанции, с одним лишь отличием – для нагрева воды используется энергия, получаемая при распаде ядер урана.

Источником тепловой энергии в  АЭС служит ядерный реактор, в  котором протекает управляемая  ядерная реакция. Сама реакция протекает  по цепному механизму: деление одного ядра самопроизвольно вызывает деление  других ядер. Цепная реакция сама себя поддерживает, и может длиться  до полного распада всех ядер вещества. А управление сводится лишь к регулированию  её скорости и, соответственно, мощности, а также к произвольной её остановке  в случае необходимости.

Топливом для атомных электростанций служат вещества, способные, при определенном начальном стимулировании, совершать  цепную реакцию расщепления ядер элементов.

В качестве делящегося вещества в  настоящее время могут использоваться изотопы урана — уран-235 и уран-238, а также плутоний-239.

Деление атомного ядра может произойти  самопроизвольно или при попадании  в него элементарной частицы. Самопроизвольный распад в ядерной энергетике не используется из-за очень низкой его интенсивности.

В ядерном реакторе происходит цепная реакция. Ядра урана или плутония распадаются, при этом образуются два-три  ядра элементов середины таблицы  Менделеева, выделяется энергия, излучаются гамма-кванты и образуются два или три нейтрона, которые, в свою очередь, могут прореагировать с другими атомами и, вызвав их деление, продолжить цепную реакцию. Для распада какого-либо атомного ядра необходимо попадание в него элементарной частицы с определенной энергией (величина этой энергии должна лежать в определенном диапазоне: более медленная или более быстрая частица просто оттолкнется от ядра, не проникнув в него). Наибольшее значение в ядерной энергетике имеют нейтроны.

Однако практически осуществить  подобную реакцию не так просто, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что нейтроны, высвобожденные при делении ядра могут вызывать деление изотопов урана с массовым числом 235, тогда как в природной руде их содержится лишь 0,7%. Остальные 99,3% приходятся на долю изотопа 238, для деления которого, энергии нейтронов, не хватает. Именно поэтому для функционирования реактора важна критическая масса – это минимальная масса урана, при которой возможно возникновение и протекание цепной реакции. Например, для урана-235 она составляет несколько десятков килограмм, что на самом деле, учитывая низкое его процентное соотношение, не так уж и мало.

В зависимости от скорости элементарной частицы выделяют два вида нейтронов: быстрые и медленные. Нейтроны разных видов по-разному влияют на ядра делящихся элементов.

1. Уран-238 делится только быстрыми нейтронами. При его делении выделяется энергия и образуется 2-3 быстрых нейтрона. Вследствие того, что эти быстрые нейтроны замедляются в веществе урана-238 до скоростей, неспособных вызвать деление ядра урана-238, цепная реакция в уране-238 протекать не может.
2. В уране-235 цепная реакция протекать может, так как наиболее эффективно его деление происходит, когда нейтроны замедлены в 3-4 раза по сравнению с быстрыми, что происходит при достаточно длинном их пробеге в толще урана без риска быть поглощенными посторонними веществами или при прохождении через вещество, обладающее свойством замедлять нейтроны, не поглощая их.

Поскольку в естественном уране  имеется достаточно большое количество веществ, поглощающих нейтроны (тот  же уран-238, который при этом превращается в другой делящийся изотоп - плутоний-239), то в современных ядерных реакторах  необходимо для замедления нейтронов  применять не сам уран, а другие вещества, мало поглощающие нейтроны (например, графит или тяжелая вода).

Графит хорошо замедляет нейтроны и плохо их поглощает. Поэтому  при использовании графита в  качестве замедлителя можно использовать менее обогащенный уран, чем при  использовании легкой воды.

Тяжелая вода очень хорошо замедляет  нейтроны и плохо их поглощает. Поэтому  при использовании тяжелой воды в качестве замедлителя можно  использовать менее обогащенный  уран, чем при использовании легкой воды. Но производство тяжелой воды очень трудоемко и экологически опасно.

При попадании медленного нейтрона в ядро урана-235 он может быть захвачен этим ядром. При этом произойдет ряд  ядерных реакций, итогом которых  станет образование ядра плутония-239. (Плутоний-239 в принципе может тоже использоваться для нужд ядерной  энергетики, но в настоящее время  он является одним из основных компонентов  начинки атомных бомб.) Поэтому  ядерное топливо в реакторе не только расходуется, но и нарабатывается. У некоторых ядерных реакторов  основной задачей является как раз  такая наработка.

Другим способом решить проблему необходимости  замедления нейтронов является создание реакторов без необходимости  их замедлять - реакторов на быстрых  нейтронах. В таком реакторе основным делящимся веществом является не уран, а плутоний. Уран же (используется уран-238) выступает как дополнительный компонент реакции - от быстрого нейтрона, выпущенного при распаде ядра плутония, произойдет распад ядра урана  с выделением энергии и испусканием  других нейтронов, а при попадании  в ядро урана замедлившегося нейтрона он превратится в плутоний-239, возобновляя  тем самым запасы ядерного топлива  в реакторе.

Таким образом, в ядерном реакторе должен использоваться либо обогащенный  уран с замедлителем, поглощающем  нейтроны, либо необогащенный уран с замедлителем, мало поглощающем  нейтроны, либо сплав плутония с  ураном без замедлителя.

Данные процессы деления ядер урана  происходят в части ядерного реактора, называемой активной зоной. Там же находится  и само топливо. В результате протекания ядерной реакции выделяется огромное количество тепла – это и есть начальная тепловая энергия, преобразующаяся впоследствии в электрическую.

Именно в активной зоне находятся  специальные управляющие стержни, о которых упоминалось ранее, позволяющие регулировать скорость протекания реакции. Чаще всего –  это графит, бор или кадмий, которые  достаточно сильно поглощают нейтроны. Иными словами, чем больше поглощено  нейтронов, тем меньше ядер урана  делиться, и, соответственно, снижается  скорость реакции. Чем глубже погружаются  стержни, тем меньше выделяется тепла, и наоборот.

Именно образование тепловой энергии  и есть суть цепной реакции. Тепло  из реактора выводится при помощи определенных теплоносителей, которыми, в зависимости от типа атомной  электростанции, могут выступать  вода, металлический натрий или некоторые  газы. Они отбирают в активной зоне тепло, и переносят его в специальные  теплообменники, попутно охлаждая реактор. Эта система и есть первый контур.

Далее вступает в действие второй контур АЭС. В теплообменнике (парогенераторе) нагревается вода, образующийся в  результате этого пар передается на лопасти турбины, которая через  специальную систему приводит в  действие генераторы, непосредственно  вырабатывающие электричество. Электричество  в свою очередь передаётся потребителям. Пруд-охладитель используется для охлаждения воды реакторов атомной электростанции.

Схема устройства АЭС с реакторам типа ВВЭР представлена на рис. 1

 

 

Рис. 1. Устройство АЭС с реактором типа ВВЭР. 1 - СУЗ (система управления и защиты), т.е. стержни, 2 – топливо, 3 – корпус реактора, 4 – парогенератор, 5 – турбина, 6 – генератор, 7 – трансформатор, 8 – отпуск энергии потребителю, 9 – пруд-охладитель, 10 – циркуляционный насос, 11- конденсатор, 12 – питательный насос, 13 - ГЦН (главный циркуляционный насос).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТУРБИНЫ

Принцип действия любой турбины схож с принципом  действия ветряной мельницы. В ветряных мельницах воздушный поток вращает  лопасти и совершает работу. В  турбине пар вращает лопатки распложенные по кругу на роторе. Ротор турбины жестко связан с ротором генератора, который вырабатывает ток.

Рассмотрим работу ротора ветряной мельницы (рис. 2).

Рис. 2. Схема работы ветряной мельницы

Ротор представляет собой вращающийся вал с жестко закрепленными на нем лопатками. Ротор как правило, связан с каким либо механизмом, который совершает полезную работу при его (ротора) вращении. Рабочим телом в мельнице условно можно считать поток воздуха. Набегающий поток воздуха движется по направлению оси вращения ротора. Лопатки закреплены таким образом, что их плоскость повернута относительно на некоторый угол, этот угол в аэродинамике называют углом атаки.

 

Рис. 3. Схема работы ветряной мельницы (разрез А-А рис. 2)

Лопатка стоит  на пути движения воздуха, когда поток  сталкивается с лопаткой, он тормозится и изменяет направление движения, обтекая лопатку, как показано на (рисунке 3). При этом неизбежно около передней поверхности лопатки возникает область с повышенным давлением воздуха, а около задней поверхности возникает область с пониженным давлением. Величина разницы давлений dP зависит от многих параметров, например скорости движения воздуха, угла атаки, формы поверхности.